Anche se è vero che stanno emergendo modelli di auto elettriche sempre più competitivi, affinché la mobilità elettrica diventi realtà, l'autonomia offerta dai veicoli elettrici dovrebbe essere ancora maggiore.
Ed è proprio questo il compito fondamentale delle batterie allo stato solido, oltre a offrire maggiore stabilità e sicurezza.
La tecnologia delle batterie a stato solido è un'evoluzione degli odierni ioni di litio batterie (Li-Ion); utilizzato non solo nei veicoli elettrici ma anche in tutti i tipi di dispositivi elettronici, come gli smartphone.
John B. Goodenough –uno scienziato e fisico tedesco-americano, inventore di batterie agli ioni di litio– a 97 anni sta anche guidando lo sviluppo della batteria a stato solido che utilizza elettroliti cristallini inorganici . E, in effetti, non è il solo in questa ricerca, dal momento che l'Università della California a San Diego ha anche investito in solidi inorganici come ossidi ceramici e vetro zolfo.
L'introduzione sul mercato degli elettroliti allo stato solido consentirà di fornire maggiore autonomia , maggiore sicurezza e stabilità, riduzione dei costi economici e offrono periodi di ricarica molto più brevi .
Da un lato, la batteria agli ioni di litio è composta da due elettrodi; catodo e anodo, che sono divisi da un separatore, incorporati in una cella e immersi nell'elettrolita , un liquido conduttivo che reagisce chimicamente con gli ioni necessari tra gli elettrodi. E la combinazione di più celle forma la batteria.
Ebbene, quando accendiamo il nostro veicolo, queste reazioni chimiche si attivano e avviano la circolazione ionica tra gli elettrodi, producendo elettroni, trasferendoli ai morsetti della batteria e generando energia. E quando carichiamo la batteria, le particelle circolano nella direzione opposta e avviene il processo inverso.
Come sappiamo, queste batterie hanno una durata di vita limitata da 8 a 10 anni , che equivale a circa 3.000 cicli di ricarica completi . Ciò è dovuto al fatto che il litio liquido, nel tempo, si solidifica e crea piccole cavità denominate dendriti , che sono colpevoli di indebolire la batteria, causando surriscaldamento e cortocircuiti.
E non solo, ma un altro problema con elettrolita liquido è che è infiammabile , che richiede sistemi di sicurezza e raffreddamento per prevenire l'accumulo di calore e perdite di capacità. E tutto questo significa costi, peso e volume maggiori per la batteria.
D'altra parte, la principale differenza nella batteria a stato solido ricade sull'elettrolita che, in questo caso, è un solido piuttosto che un liquido. In altre parole, le celle di accumulo di energia di queste batterie non contengono un liquido conduttivo, ma sono costituite da un composto solido che svolge la stessa funzione dell'elettrolita liquido:trasmette ioni tra gli elettrodi per generare energia.
Le prestazioni complessive sono le stesse, ma utilizzando un elettrolita solido inorganico facilita molteplici aspetti. Per essere più precisi, il team di John B. Goodenough, in collaborazione con l'ingegner Maria Helena Braga, ha già depositato il suo brevetto per elettrolita di vetro solido nell'aprile 2020. La sua versione ha un anodo di metallo alcalino che permette di aumentare la densità di energia e la durata della batteria.
Grazie alle immagini di Spring8 possiamo farci un'idea di come funzionano queste nuove batterie rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio.
Minori costi di produzione e vendita, maggiore sicurezza, non infiammabilità, maggiore durata, maggiore densità di energia e maggiori possibilità di riciclaggio.
L'uso di un composto solido nelle celle fornisce una maggiore densità di energia, il che significa una maggiore capacità di accumulo di energia. Nel caso del vetro, è in grado di immagazzinare più energia con meno peso.
Per essere più specifici, questo tipo di batteria sarebbe in grado di immagazzinare fino a tre o anche cinque volte più energia rispetto al suo equivalente agli ioni di litio. Pertanto, ciò significa che consentono un'autonomia molto maggiore .
Inoltre, non solo consentono di estendere i cicli di carica e scarica (che permette di aumentarne la vita utile), ma riducono anche il drenaggio passivo (il processo di scarica della batteria quando non viene utilizzata).
Le batterie al litio-vetro sviluppate da John B. Goodenough sono in grado di sopportare più di 20.000 cicli di carica completi (nei test di laboratorio hanno superato 23.000 cicli ).
Gli elettroliti a stato solido accelerano la ricarica e forniscono tempi di ricarica molto più brevi (solo in pochi minuti), poiché questi tempi sono ridotti fino a sei volte rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio.
Ciò è dovuto al fatto che la batteria, essendo costituita da un composto inorganico solido (come il vetro), consente spostamenti più facili e veloci tra gli elettrodi.
Prevenendo la formazione di dendriti ed eliminando la possibilità di esplosione e incendio –quali sono le attuali batterie agli ioni di litio (anche se ricordiamo che il rischio di incendio è quattro volte maggiore in una benzina o diesel rispetto a una elettrica)– è possibile aumentare ulteriormente la sicurezza fornita.
Pertanto, le batterie a elettrolito solido, essendo molto meno riscaldate, non necessitano di sistemi di sicurezza o di raffreddamento per prevenire l'accumulo di calore. Né hanno bisogno di separatori tra gli elettrodi, o della copertura protettiva impermeabile che, dopotutto, si sommano al costo, al peso e a più della metà del volume delle batterie agli ioni di litio.
E come se non bastasse, queste nuove batterie funzionano in modo ottimale anche a temperature estreme fino a -20°C.
La produzione in serie è ancora in fase di ricerca, ma se si parla di un materiale come il vetro, di facile e veloce realizzazione, ne consentirebbe il costo totale sia della batteria stessa che del veicolo elettrico stesso da ridurre notevolmente . Consentirebbe inoltre di produrre le celle con materiali molto più sostenibili rispetto agli attuali ioni di litio.
Un altro punto molto importante da tenere in considerazione è che queste batterie permetterebbero di eliminare praticamente tutto il cobalto presente nelle cellule; una materia prima molto costosa, scarsa e insostenibile.
Inizialmente, non ci si aspettava che questo tipo di batteria sarebbe stato commercializzato per almeno un decennio . Tuttavia, più di un produttore ha già iniziato a investire in questo tipo di tecnologia e persino a sviluppare un proprio brevetto, come John B. Goodenough e Samsung aver fatto. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler e Volkswagen sono esempi di marchi che stanno già investendo nel suo sviluppo.
Samsung ha presentato a marzo 2020 i suoi progressi nello sviluppo di batterie a elettrolita solido, il cui prototipo promette di produrre batterie del 50% più piccole di quelle attuali. L'azienda stima che in un paio d'anni potrebbe presentare il suo primo smartphone con questa nuova tecnologia.
Toyota , ad esempio, si era finora rifiutata di produrre auto completamente elettriche perché riteneva che vi fossero ancora due limiti molto chiari:i periodi di ricarica e l'autonomia dei veicoli elettrici. Bene, ora, con lo sviluppo di elettroliti solidi, Toyota lancerà finalmente la sua prima auto elettrica al 100% con batteria a elettroliti a stato solido nel 2022.
Stiamo parlando del nuovo C-HR EV che, lo scorso aprile, è già sbarcato presso i primi dealer cinesi, ma in Europa dovrebbe volerci almeno un altro paio d'anni per arrivare. Sotto la nuova società Prime Planet Energy &Solutions, la nuova joint venture con Panasonic, si prevedeva che quest'anno il marchio si sarebbe presentato ai Giochi Olimpici di Tokyo un'auto elettrica alimentata da batterie con elettrolita solido, ma a causa del coronavirus dovremo aspettare ancora un po'!
Un nuovo studio del MIT (Massachusetts Institute of Technology) sta anche lavorando alla progettazione di un anodo metallico in puro litio.
Prologo (Produttore di batterie taiwanese) ha annunciato all'inizio di quest'anno al CES (palcoscenico mondiale dove vengono presentate le innovazioni tecnologiche) un accordo con diverse case automobilistiche per installare le nuove batterie allo stato solido ad alta tensione con elettrolita ceramico (basate sul MAB, Multi Tecnica Axis BiPolar+) nelle loro auto elettriche. Nel frattempo, KITECH (The Korea Institute of Industrial Technology) non vuole essere lasciato indietro con questa nuova tecnologia promettente.
Alcuni sottolineano che il futuro della batteria allo stato solido sarà l'utilizzo del silicio al posto del vetro, altri che il più promettente è l'utilizzo del vetro a base di sodio (sale), poiché è un materiale molto diffuso sulla terra e ha un basso impatto ambientale .
Tuttavia, sebbene sia il metodo che i tempi di implementazione di questa tecnologia siano alquanto incerti e devono essere eseguiti tenendo conto dei criteri di riutilizzo e riciclaggio e processi, ciò che è chiaro è che comporterà una vera rivoluzione e non solo nella mobilità elettrica ma nell'intera industria elettronica.
Riesci a immaginare il trasporto privato, il trasporto pesante, l'aviazione e l'area marina alimentati da batterie elettriche sostenibili? Un definitivo addio al motore a combustione e inquinamento. Un sogno diventato realtà?
