Cosa sono le batterie allo stato solido

La transizione elettrica sta causando un cambio radicale delle abitudini, e forse uno dei più notevoli è che quando guardiamo le caratteristiche di un veicolo elettrico non pensiamo più a cavalli, numero di cilindri o altro: sono le dimensioni della batteria a focalizzare la nostra attenzione. 

Già, perché l'ansia da ricarica si è spostata sulle strade. E visto che la tecnologia degli accumulatori attuali non è troppo diversa da quella dei nostri smartphone, ovvero utilizza gli ioni di litio, è necessario usare pacchi batteria grandi, pesanti e che offrono un'autonomia tutto sommato limitata, se confrontata a quella delle auto a combustione. 

Ma c'è una luce in fondo al tunnel: le batterie allo stato solido. Questa nuova tecnologia promette di rivoluzionare un settore alla disperata ricerca di soluzioni a problemi impellenti. Vediamo quindi cosa sono le batterie allo stato solido, quale autonomia promettono, chi ci sta lavorando, e quando arriveranno, oltre a ricordarvi le auto elettriche più economiche per ogni brand.

• Cosa sono le batterie allo stato solido 
  • Materiali
  • Vantaggi e svantaggi
• Batterie allo stato solido per auto: autonomia
• Batterie allo stato solido per auto: i marchi
  • Tesla
  • Toyota
  • Nio
• Batterie allo stato solido per il fotovoltaico
• Quando arriveranno le batterie allo stato solido 

Tutti conosciamo grossomodo il funzionamento delle batterie: prendono energia, la immagazzinano e la rilasciano quando serve ai nostri dispositivi, che siano telefoni, computer o auto. 

Il termine batteria è stato coniato nel 1749 da Benjamin Franklin, ma la prima batteria elettrochimica vera e propria è stata costruita da Alessandro Volta nel 1800. 

Nei decenni successivi la tecnologia è evoluta in quella che è grossomodo l'applicazione che conosciamo, ovvero la conversione dell'energia chimica direttamente in energia elettrica in una cella elettrochimica. Questa avviene grazie al flusso di elettroni da un elettrodo chiamato anodo (carico negativamente) a un elettrodo chiamato catodo (carico positivamente). All'anodo, composto di un metallo come zinco o litio, l'elettrodo reagisce con l'elettrolita (il liquido o gel in cui è immerso) producendo elettroni (un processo chiamato ossidazione).

Questi si accumulano, mentre al catodo avviene una reazione che lo mette in condizioni di accettare gli elettroni (un processo chiamato riduzione). La reazione nel complesso si chiama di riduzione-ossidazione, ovvero redox. 

Il potenziale di queste reazioni è la capacità della batteria di produrre o attirare elettroni ed è chiamato potenziale standard. La differenza di questo potenziale tra i due elettrodi è il potenziale elettrochimico, che determina il voltaggio della batteria. Quando collego i due elettrodi, ovvero chiudo il circuito, gli elettroni sono liberi di passare e caricano il mio dispositivo. Quando collego la batteria a una fonte di elettricità, "forzo" il processo inverso, permettendo il passaggio degli elettroni attraverso la membrana semi permeabile e di fatto riportando gli elettroni all'anodo. Questa membrana, solitamente di plastica, impedisce il cortocircuito, perché le batterie moderne sono il più piccolo possibile, e bisogna tenere separati anodo e catodo, che se si toccassero causerebbero un cortocircuito.

Il problema è che i progressi sono stati fatti solo cambiando le molecole coinvolte nel processo, ovvero i materiali di cui sono composti elettrodi ed elettrolita, e oggi lo standard per le batterie ad alta capacità è di usare gli ioni di litio (al posto dello zinco delle pile alcaline).

Ma cosa sono le batterie allo stato solido allora? Come le batterie agli ioni di litio, le batterie a stato solido (che comunque utilizzano il litio all'anodo), hanno un catodo e un anodo, e la reazione fa fluire gli elettroni da un lato all'altro, creando un circuito e permettendo il passaggio di corrente. 

La differenza è che in questo caso il separatore è l'elettrolita stesso, che invece di essere liquido (o un gel) è un materiale solido, spesso ceramico, che permette direttamente il flusso degli ioni.

Questo comporta una maggiore densità rispetto alle batterie agli ioni di litio, che comporta una capacità maggiore, da due a ben dieci volte.

Quindi le batterie allo stato solido permetterebbero un'autonomia per le auto elettriche pari a quella delle auto a combustione. C'è un'altra questione, che riguarda la sicurezza. Le batterie agli ioni di litio presentano un possibile rischio di danni, rigonfiamenti e persino esplosione, per esempio dovuti a variazioni della temperatura o forze esterne come impatti. Per questo motivo, sono necessari componenti per garantire che questo non avvenga e siano protette. Una batteria a stato solido, invece è molto più stabile, in quanto mantiene la forma anche se l'elettrolita è danneggiato. 

Infine, le batterie allo stato solido si ricaricano molto più velocemente di quelle agli ioni di litio (fino a sei volte), il che rappresenterebbe un altro aspetto molto desiderato. 

Quindi con le batterie allo stato solido si ottiene una maggiore densità di energia per unità di area, e se ne possono mettere di più perché si risparmierebbe lo spazio per i sistemi di sicurezza.

In realtà la novità non è recente. Già nel 1831 Michael Faraday aveva scoperto gli elettroliti solidi a base di argento, e anche negli anni '50 si è lavorato su queste basi, ma questi primi esperimenti comportavano problemi insormontabili: basso voltaggio e alta resistenza all'inizio, alti costi e temperature elevate di utilizzo man mano che si utilizzavano sostanze diverse. 

Poi nel 2010 sono arrivati i primi prototipi dai risvolti pratici, e con essi il settore ha cavalcato un'onda di entusiasmo e investimenti. Toyota, Solid Power (fondata nel 2021 da BMW e Ford), ProLogium Technology (in cui investe Mercedes), Honda, Hyundai, Nissan, Samsung, Qing Tao, Murata Manufactoring e QuantumScape (in cui investono Volkswagen e Bill Gates), hanno cominciato a produrre brevetti su brevetti. 

A oggi, le batterie a stato solido esistono già, il problema è che il loro utilizzo è limitato a dispositivi molto piccoli (per esempio i pacemaker), mentre per i veicoli elettrici sono più difficili e costose da produrre.

Inoltre la sfida riguarda la longevità. 

Materiali

I materiali proposti per l'uso come elettroliti solidi nelle batterie allo stato solido includono ceramiche come ortosilicato di litio, solfuri e fosfati, ma sono stati proposti anche conduttori superionici di cloruro.

Le batterie allo stato solido in genere sostituiscono l'anodo di grafite (un non metallo) con un anodo di litio metallico (un esempio molto promettente è il litio-zolfo), ma anche l'indio e il silicio sono studiati come alternative.

Il catodo, che in genere include nichel, cobalto, litio e manganese (NMC), è generalmente utilizzato sia nelle batterie agli ioni di litio che nelle batterie allo stato solido, con soluzioni diverse allo studio.

Vantaggi e svantaggi

Riassumiamo qui sotto i vantaggi e gli svantaggi delle batterie allo stato solido. 

Tra i vantaggi, abbiamo l'alta densità energetica, che comporta una migliore autonomia per un veicolo elettrico. Per fare un confronto, un pacco batteria da 80 kWh in un veicolo elettrico oggi pesa circa 450 kg, mentre un pacco batteria a stato solido della stessa capacità peserebbe un terzo.

La ricarica rapida è un altro vantaggio, e molte società che stanno lavorando sui prototipi promettono ricariche complete in 10-15 minuti, contro i 30 minuti delle batterie agli ioni di litio caricate a 250 kW.

Un altro vantaggio è l'elevata stabilità, dovuta all'assenza di elettroliti liquidi. Quindi anche quando si carica ad elevatissime potenze i rischi sono bassi, e così in caso di danni. Per contro, le batterie agli ioni di litio sono soggette al surriscaldamento, che può causare una reazione a catena causata dalla cosiddetta "fuga termica", che innesca una produzione di calore molto elevata che può portare a un incendio.

Infine c'è da tenere presente il processo di costruzione, più rapido. Le batterie agli ioni di litio prevedono un processo industriale lungo, che include la creazione delle celle, il loro riempimento e condizionamento in cui viene applicato l'elettrolita liquido, poi si caricano e scaricano delicatamente, permettendo agli elettrodi di formare il loro rivestimento protettivo, come una preparazione perché la batteria entri nella sua vita normale.

Tutto questo non è necessario con un elettrolita solido, il che farebbe risparmiare fino a tre settimane di tempo alla tua linea di produzione.

Ma non sono tutte rose e fiori, ci sono anche degli svantaggi, il che spiega la quantità di società che stanno lavorando per migliorare i processi produttivi. Il primo riguarda i materiali. Anche le batterie allo stato solido contengono litio, i cui prezzi sono triplicati negli ultimi anni nonostante l'aumento della produzione, e le batterie allo stato solido utilizzano più litio per cella rispetto a quelle agli ioni di litio (da cinque a dieci volte di più). Ed è per questo che l'unica speranza viene dal riciclo. 

E veniamo al secondo problema, il riciclo Per le batterie agli ioni di litio ci sono metodi di riciclo che consentono di riciclare nichel, cobalto, manganese, alluminio e rame, ma per quanto riguarda litio e grafite (usata per l'anodo) è un po' più problematico, e i produttori di batterie temono che i prodotti riciclati possano essere di qualità inferiore rispetto a quelli appena estratti.

Questo potrebbe essere un problema ancora maggiore per le batterie allo stato solido, ma dal lato positivo c'è il fatto che le strutture e i metodi di riciclo non devono cambiare tra le due tipologie. Per non parlare del fatto che le batterie allo stato solido possono avere un'impronta di carbonio inferiore del 39% rispetto alle batterie agli ioni di litio.

C'è un altro problema riguardante le batterie allo stato solido, ed è la longevità (un problema comune anche alle batterie agli iodi di liquido, ma qui diverso). Con l'invecchiamento delle batterie, la forma dell'anodo di litio cambia, crescendo in modi bizzarri e organici. Il litio sta formando quelli che vengono chiamati dendriti, strutture metalliche ramificate che crescono letteralmente nell'elettrolita solido. Alla fine, i dendriti crescono abbastanza a lungo da raggiungere l'altro lato dell'elettrolita, mandando in corto il pacco batteria.

Ci sono studi a riguardo, come quelli di Honda che vuole ricoprire l'elettrolita solido con uno strato polimerico, il quale secondo il produttore "terrebbe a bada" i dendriti.

Un'altra problematica guasto comune nelle batterie a stato solido è un tipo di quasto meccanico dovuto a variazioni di volume nell'anodo e nel catodo durante la carica e la scarica, causate dall'aggiunta e dalla rimozione di ioni di litio dalle strutture ospiti. 

Infine c'è l'ultima questione, forse la più grave: il costo. Le batterie a stato solido non solo richiedono densità più elevate di metalli rari, ma la loro tecnica di costruzione è completamente diversa da quella delle odierne celle agli ioni di litio, il che significa nuove fabbriche e nuove procedure su larga scala. 

Guardando l'aspetto positivo, c'è da dire che potenzialmente le batterie allo stato solido sono più economiche, ma potrebbero passare 5-10 anni prima che il processo diventi competitivo in termini di costi. 

Ne abbiamo già parlato, ma diamo una rapida occhiata a questo punto, che in fondo è quello che maggiormente interessa gli utenti.

Le batterie allo stato solido aumentano l'autonomia? La risposta semplice è sì, e dovrebbero consentire un'autonomia pari a quelle delle attuali auto dotate di motore termico. 

Se infatti le auto elettriche di adesso, dotate di batterie agli ioni di litio, offrono autonomie tra i 300 e i 500 km, le batterie allo stato solido possono portare questo valore tra i 450 e i 750 km (e anche di più, secondo alcune stime che parlano di un incremento fino all'80%).

Senza considerare la velocità di ricarica, che le avvicinerebbe sempre più alle controparti a combustione.

Abbiamo capito come le batterie allo stato solido siano un grosso passo avanti per il passaggio alla mobilità elettrica, e se si può discutere all'infinito sul cambio di paradigma che questo potrebbe (o dovrebbe) comportare, come la necessità di abbracciare una mobilità condivisa, o come la ricarica non sia la stessa cosa del "fare benzina", tutti i produttori di auto puntano a un obiettivo: garantire la stessa autonomia di un'auto con motore termico.

Come abbiamo accennato nel primo capitolo, tutti i maggiori produttori di auto sono coinvolti negli studi sulle batterie allo stato solido (con l'eccezione di Tesla, come vedremo), e i progetti hanno visto negli ultimi due-tre anni un'accelerazione improvvisa. 

Vediamo i produttori più famosi, tenendo presente che ce ne sono molti altri. Honda ha recentemente confermato che ci sta lavorando nel suo laboratorio con sede a Tokyo, con l'intenzione di lanciare un veicolo con una batteria a stato solido nell'ultima parte del 2028 o 2029. Hyundai, BMW e Ford con Solid Power, GM, Volkswagen (tramite QuantumScape), Mercedes tramite ProLogium Technology, Samsung, Nissan, Murata Manufactoring e altri stanno conducendo ricerche simili.

Tesla

E Tesla che fa? Questo è un argomento interessante, perché, proprio come con la guida autonoma (ha rinunciato al LiDar affidandosi solo alle telecamere e all'intelligenza artificiale), il produttore americano ha preso una strada tutta sua. 

La casa di Elon Musk ha infatti scommesso forte sulle batterie agli ioni di litio, e nel 2020 ha lanciato le batterie 4680, che promettevano un aumento di cinque volte dell'energia, un ulteriore 16% della portata e un aumento di sei volte della potenza.

Questo grazie a un nuovo processo di produzione degli elettrodi a secco, pur mantenendo la chimica NMC (Nichel Cobalto Manganese) con anodo di grafite delle celle 2170. Purtroppo, quando le 4680 sono state implementate nelle Model Y questi vantaggi non sono stati osservati, anzi, ma è ancora presto per trarre le conclusioni visto che stiamo parlando del 2022. 

Ma di cosa stiamo parlando? In pratica Tesla utilizza tre tipi di batterie per i suoi veicoli, 1865, 2170 e le nuove 4680 (i numeri stanno per il diametro e l'altezza, in mm, delle celle). Le prime due utilizzano principalmente catodi di Nichel Cobalto Alluminio (NCA). Alcune celle 2170 (dipende dal produttore) e le celle 4680 utilizzano invece catodi NMC, che risultano più sicuri in quanto offrono una maggiore temperatura di decomposizione e minore rilascio di calore (e sappiamo come il calore sia dirimente nelle batterie agli ioni di litio).

Per il futuro, Tesla sta esplorando un'altra tecnologia, le celle di tipo prismatico LFP, ovvero con catodi di Litio Ferro Fosfato, dotate di densità energetica inferiore ma maggiore sicurezza rispetto alle altre due.

Le LFP sono prodotte principalmente da ditte cinesi, e Tesla vorrebbe introdurle nei suoi camion Semi e nelle vetture più economiche (Tesla Model 2). 

Sembra strano che il produttore americano snobbi la tecnologia allo stato solido, ma visto che le proiezioni parlano di 5-10 anni per la commercializzazione su vasta scala, probabilmente Musk vuole sviluppare il pieno potenziale delle sue 4680 prima di gettare la spugna.

Come Porsche (che prevede di lanciare i primi modelli nel 2024), Tesla inoltre sta investendo nelle batterie al silicio, che consentono un aumento della densità energetica fino al 50%. Group14 è uno dei maggiori produttori del settore e prevede che questo tipo di tecnologia avrà una parte importante nel futuro, anche perché è applicabile nelle batterie allo stato solido.

Toyota

Ma torniamo alle batterie allo stato solido. Toyota è il produttore di auto che sta investendo maggiormente nella nuova tecnologia con oltre 1.300 brevetti, e al momento attuale sembra l'azienda più avanti nel settore.

Nel 2020 il gigante giapponese ha prodotto il primo prototipo di veicolo con batteria allo stato solido e, stando a un annuncio del 2022 e al suo sito, prevede di lanciare un veicolo ibrido dotato di batteria di questo tipo entro il 2025.

Nio

Nio ha un atteggiamento leggermente diverso nei confronti della mobilità elettrica. L'azienda cinese nel 2022 ha aggredito i mercati del Nord Europa con i suoi veicoli premium e nel 2023 ha annunciato l'intenzione di espandersi ulteriormente nel 2024 con sottomarchi più economici. Rispetto agli altri produttori, però, Nio scommette sullo scambio delle batterie, più che sulla ricarica. 

Il marchio cinese ha infatti delle stazioni automatizzate che scambiano la batteria di un veicolo in soli cinque minuti, e i proprietari per usufruirne pagano l'auto senza batteria, a fronte di un noleggio mensile a seconda della portata.

Nio investe pesantemente anche nelle batterie allo stato solido e all'inizio del 2023 ha annunciato che lanceranno la prima batteria di questo tipo addirittura per la prima metà dell'anno.

Si tratterebbe di un'unità da 150 kWh che consentirebbe un'autonomia di 1000 km. 

Nio ha dichiarato che la batteria è stata sviluppata in collaborazione con WeLion e intende noleggiarla per  lunghi viaggi estivi piuttosto che venderla insieme ai veicoli direttamente, almeno all'inizio. Secondo quanto dichiarato, infatti, la batteria costerebbe moltissimo, quasi quanto una ET5 (49.900 euro senza batteria), appunto l'auto su cui debutterà.

Ma le auto elettriche non sono l'unico mercato per le batterie allo stato solido. Negli ultimi anni, complice l'aumento dei prezzi delle fonti energetiche (soprattutto nel 2022), una maggiore coscienza ambientale e una campagna di sgravi fiscali, sempre più persone hanno pensato di far installare un impianto fotovoltaico sul proprio tetto. 

Per poter sfruttare l'energia prodotta in questo modo nell'arco delle 24 ore e non reintrodurla nella rete elettrica, si può, a fronte di un investimento iniziale, comprare un accumulatore che poi rilasci la corrente quando non c'è il sole.

A fine 2022 la società statunitense Amptricity ha annunciato le prime batterie a stato solido per uso residenziale. Le taglie disponibili sono quattro, da 12 kWh, 24 kWh, 36 kWh e 48 kWh, offrono un intervallo operativo da -40°C a 55°C e garantiscono una vita di 11.000 cicli di carica/scarica.

Queste batterie, secondo l'azienda, assicurano agli utenti fino a 8 ore di energia, un processo di carica e scarica simultaneo, nessun deflusso termico e una durata tre volte superiore a quella delle batterie a ioni di litio.

Ovviamente Amptricity pone l'accento anche sulla sicurezza, rilevando come queste soluzioni non siano infiammabili e dichiara che sono riciclabili al 100%.

Dal sito dell'azienda, possiamo leggere come le spedizioni sono previste per il terzo trimestre del 2023 e che i prezzi vanno da 19.999 dollari a 73.999 dollari (anche con finanziamento), ma da quanto si capisce sono previste soluzioni anche in leasing da 90 dollari al mese fino a 333 dollari al mese per il modello più capiente.

Insomma, le batterie allo stato solido sono quasi qui, ma non proprio. Gli investimenti sono fortissimi, e i produttori si stanno rincorrendo per essere i primi a presentare un prodotto commerciale, ma su larga scala è difficile vederle prima di qualche anno. 

Come abbiamo anticipato, Nio prevede di presentare la sua soluzione entro la prima metà del 2023, ma avrà costi altissimi e sarà riservata solo a noleggio per casi specifici (e non si sa a che costo, oltre al fatto che Nio ha un mercato al momento molto ridotto, riservato ai Paesi del Nord Europa. 

Toyota ha annunciato che produrrà un veicolo ibrido dotato di batterie allo stato solido entro il 2025, ma non sono stati resi noti i particolari. 

Le stime parlano comunque di una produzione su larga scala non prima del 2030, forse addirittura tra il 2032 e il 2035, ovvero il tempo necessario per affinare la tecnologia, anche di riciclo, e permettere un abbassamento dei costi.