Batterie allo stato solido: a che punto siamo e perché saranno rivoluzionarie

La loro introduzione è auspicata, attesa, bramata più di qualsiasi altra tecnologia, perché la diffusione in larga scala di questa tecnologia risolverebbe gran parte dei problemi che oggi affliggono le automobili elettriche. Sebbene le auto elettriche siano già considerate non solo una soluzione migliore per l’ambiente a livello di mobilità, nonché un “pacchetto” migliore delle vetture termiche a livello di prestazioni, rumorosità e piacere di guida, c’è una componente che, inevitabilmente, non permette alle auto a zero emissioni di diventare la norma: le batterie. Allo stato attuale, infatti, le batterie delle auto elettriche sono allo stato liquido. Senza scendere in tecnicismi (trovate una disamina dettagliata nel nostro articolo dedicato alla batteria dell’auto elettrica), le batterie allo stato liquido prendono questo nome dall’elettrolita liquido, ovvero una soluzione liquida appunto all’interno della quale sono immersi anodo e catodo e dove gli elettroni si spostano liberamente dall’anodo al catodo e viceversa nei momenti di carica e scarica.

Questa soluzione, di facile attuazione e piuttosto economica, ha dei grandi limiti. Le batterie allo stato liquido sono pesanti, l’elettrolita liquido ha bisogno di una generosa dose di spazio per funzionare a dovere in ogni cella e, a lungo andare, l’elettrolita stesso finisce per perdere parte della sua efficienza, e la sua usura può arrivare a oltre il 30% dopo 10 anni di utilizzo su un’auto elettrica, andando in questo modo a ridurre di molto l’autonomia dell’automobile su cui sono montate. Questi limiti (peso, dimensioni e usura), unita alla quantità di kWh ridotta al netto dello spazio occupato, sono i grandi limiti dell’utilizzo delle batterie allo stato liquido e, a ben vedere, sono anche i difetti principali dell’auto elettrica. Le batterie allo stato solido dovrebbero quindi essere un “game changer”, una vera rivoluzione per il mondo dell’automobile elettrica. Sulle batterie allo stato solido, però, c’è poca conoscenza e consapevolezza, e insieme ai pregi di questa soluzione ci sono anche alcuni limiti visto che, come sappiamo, la perfezione non è di questo mondo.

Scopriamo allora a che punto siamo con le batterie allo stato solido, e perché saranno rivoluzionarie.

Sommario

• Batterie allo stato solido: perché saranno rivoluzionarie
• Batterie allo stato solido: a che punto siamo

Batterie allo stato solido: perché saranno rivoluzionarie

Perché sono sempre più persone che credono che le batterie allo stato solido saranno rivoluzionarie? Sulla carta, sostituire un elettrolita liquido con uno solido porta grandi vantaggi rispetto all’utilizzo di soluzioni liquide per due principali punti di forza: una maggiore densità energetica, che permetterà quindi di ridurre dimensioni e pesi offrendo la stessa quantità di kWh (se non addirittura superiore), e una velocità di carica maggiore. Andiamo però nel dettaglio, e scopriamo davvero perché saranno rivoluzionarie queste batterie allo stato solido. Il funzionamento della batteria, passando dalla tecnologia allo stato liquido da quella allo stato solido, rimane invariato, in quanto la tecnologia rimane quella di una batteria agli ioni di litio. Senza scendere troppo nei dettagli, gli elettroni si spostano da anodo a catodo e, per farlo, si muovono all’interno di un materiale conduttore di energia. Fino ad oggi, le batterie allo stato solido si sono mosse attraverso un elettrolita liquido, che ha alcuni limiti tecnici decisamente importanti.

L’elettrolita liquido, infatti, durante i cicli di carica e scarica si surriscalda, e quindi ha bisogno di un’attenta gestione termica per evitare problemi di surriscaldamento. Dopo ogni surriscaldamento, poi, le batterie allo stato liquido perdono progressivamente efficienza, andando ad usurarsi e perdere prestazioni e capacità. L’elettrolita solido ha una maggiore resistenza al calore, riducendo quindi la possibilità di surriscaldamenti. Questa capacità di sopportare meglio il calore permette ai produttori di batterie e automobili di aumentare la potenza della ricarica senza paura di incorrere in pericolosi surriscaldamenti che possono generare, nei casi più gravi, dei temibili incendi molto difficili da spegnere per via dell’alta infiammabilità di elettrolita e componenti interne. Non sarà solo la possibilità di aumentare la potenza di ricarica a rispondere al perché le batterie allo stato solido saranno rivoluzionarie. La vera rivoluzione è la sua grande densità energetica.

Proprio questo è il motivo perché le batterie allo stato solido saranno rivoluzionarie: l’elettrolita allo stato solido permette infatti di concentrare la stessa capacità di carica in spazi decisamente più contenuti. Questa soluzione, quindi, permetterà ai produttori di realizzare batterie allo stato solido che, a parità di capacità, siano molto più piccole e soprattutto leggere. Un’altra possibilità sarà quella di utilizzare batterie più grandi e capienti senza far salire i pesi, migliorando quindi diverse caratteristiche delle auto elettriche. Una batteria più leggera ridurrà il peso dell’auto, migliorando la guidabilità e la sicurezza tra le curve (un’auto più pesante è più stabile nelle normali condizioni di utilizzo, ma tra le curve o alzando la velocità è molto più difficile da fermare e da riprendere in caso di perdita di aderenza), riducendo di molto i consumi e permettendo di adottare batterie da decine di kWh in automobili piccole e compatte per la città. Si tratta quindi di una vera e propria rivoluzione, che permetterà alle auto elettriche o di essere leggere e agili come le auto termiche di oggi con l’autonomia di 300/400 km delle EV attuali, oppure di garantire, su auto più grandi, autonomie superiori ai 700 km, oggi appannaggio di pochi modelli.

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Batterie allo stato solido: a che punto siamo

Detta così, la batteria allo stato solido è un obiettivo da raggiungere a tutti i costi per garantire all’automobile elettrica di diventare finalmente competitiva e vincitrice nella sfida con le auto termiche. Non è tutto rosa e fiori: a che punto siamo con le batterie allo stato solido, e quali sono i loro limiti? Iniziamo dai difetti di questa soluzione, che sebbene sembri perfetta sulla carta ha alcune sfide ancora molto complesse da superare prima di una vera diffusione a macchia d’olio sul mercato. Il primo ostacolo da superare è rappresentato dall’elettrolita solido. Il motivo per cui si è sempre usata la tecnologia liquida è la sua stabilità: sebbene infatti abbia dei surriscaldamenti e un’usura piuttosto importante, l’elettrolita liquido è generalmente stabile, chimicamente inerte e con una conduttività buona o ottima. Se l’elettrolita ha il solo difetto di scaldarsi, gli elettroliti solidi utilizzati e studiati finora hanno la fastidiosa tendenza ad espandersi durante il proprio uso e sviluppare la formazione dei dendriti, delle strutture ramificate che si formano durante l’elettrodeposizione in fase di carica e scarica.

Sebbene i dendriti non rischino di intaccare l’integrità della batteria, la loro formazione riduce l’efficienza e le prestazioni delle batterie, intaccando quindi la potenza erogata dai motori elettrici e l’autonomia. Sebbene si tratti di un problema importante, il vero limite fisico delle batterie allo stato solido è la tendenza ad espandersi durante l’utilizzo, un problema che rischia di creare problemi di sicurezza e non solo di prestazioni a lungo andare. Altri limiti delle batterie allo stato solido sono gli effetti che temperatura e pressione possono generare sulla batteria. L’operatività delle batterie allo stato solido quando le temperature scendono sotto i 10 gradi possono diventare complicate, offrendo prestazioni sufficienti o direttamente scarse. Quando poi gli elettroliti sono di tipo ceramico, è necessaria un’alta pressione per mantenere il contatto con gli elettrodi, rendendo complicata la produzione.

Questi problemi sono decisamente importanti, ma il vero freno alla diffusione delle batterie allo stato solido sono i costi davvero alti di questa tecnologia. La produzione delle batterie allo stato solido è infatti molto costosa: la necessità di mantenere l’alta pressione per la produzione di alcuni tipi di accumulatori allo stato solido necessita l’utilizzo di complessi (e costosi) macchinari per il sotto vuoto, ancora molto complicati da ridimensionare in scala industriale della produzione in serie. Il ridimensionamento del processo produttivo è ciò che rende le batterie allo stato solido incredibilmente costose, capace di arrivare a 8 o addirittura 10 volte il prezzo di una batteria identica allo stato liquido. Questo costo così alto ha fermato la diffusione delle batterie allo stato solido in ambiti consumer con prodotti più piccoli come smartphone, tablet e PC, il cui prezzo sarebbe arrivato a superare i 10.000 dollari in caso di batterie allo stato solido. Lo sviluppo, però, continua ad avanzare, offrendo spiragli per la produzione in serie di automobili con batterie allo stato solido nel prossimo futuro.

A che punto siamo con le batterie allo stato solido? Al momento, non ci sono automobili stradali prodotte in serie che utilizzano questa tecnologia. L’unica applicazione delle batterie allo stato solido è quella in prodotti di nicchia come i pacemaker, che necessitano di batterie leggere, piccole e dalla lunghissima durata. Nonostante le grandi sfide, sono tante le Case che stanno lavorando a questa tecnologia. Gli esperti parlano di altri 8-10 anni prima della diffusione a livello industriale della tecnologia delle batterie allo stato solido. Nel 2023 abbiamo visto un primissimo passo di avvicinamento, ovvero il lancio della prima automobile di serie dotata di batterie allo stato semi-solido, la Seres 5. Questa vettura, offerta con una batteria tradizionale allo stato liquido da 80 kWh, è proposta anche con una batteria dotata sia di un elettrolita liquido che di uno solido. Questa batteria “ibrida” è più leggera di quella tradizionale e ha una capacità superiore, pari a 90 kWh. In una fase di transizione, la soluzione ibrida potrebbe essere la più facile da attuare, anche se sono sempre più vicine le prime auto “sperimentali” prodotte con batterie allo stato solido.

Andando a vedere nel dettaglio a che punto siamo con le batterie allo stato solido in arrivo sul mercato,tra i brand che lavorano attivamente su questa tecnologia troviamo grandi colossi come Toyota, Volkswagen o Stellantis. La Casa giapponese, ad esempio, ha un team dedicato allo sviluppo di batterie allo stato solido, che lavora in collaborazione con lo specialista nipponico Panasonic. L’arrivo sul mercato? Toyota promette la sua prima auto con accumulatori solidi nel 2025. Anche Volkswagen si è affidata ad un’azienda più esperta nel settore delle batterie, QuantumScape. Secondo la Casa di Wolfsburg, le sue batterie di nuova generazione saranno in grado di avere una densità maggiore del 30% rispetto alle attuali batterie, e di caricarsi dallo 0 all’80% in poco più di 10 minuti. Dopo la fusione di PSA con FCA e la creazione di Stellantis, il mega-gruppo franco-italo-americano si è legato a Total e collabora con CATL per la produzione di accumulatori allo stato solido previsti sul mercato per il 2026. Attenzione poi a Ford e BMW, che investono nella startup Solid Power, una delle più interessanti nel panorama mondiale. Sebbene la produzione in serie sia ancora lontana, Solid Power promette un incremento della densità rispetto alle batterie attuali del 50%, ma anche un taglio dei costi di produzione del 40% entro il 2025, rendendo quindi ben più abbordabile il loro utilizzo anche su vetture di alta gamma.

Ci sono infine Case auto che lavorano “da sole”, come Tesla, che sta mettendo a punto la sua batteria allo stato solido in autonomia e promette di rivoluzionare di nuovo il mondo dell’auto elettrica come ha fatto (e sta ancora facendo) negli anni ’10 e ’20 del ventunesimo secolo.

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