I ricercatori di Harvard hanno realizzato una batteria a stato solido che si carica in dieci minuti e dura 30 anni, ma la tanto pubblicizzata tecnologia rimane una soluzione a lungo orizzonte per la transizione energetica.
Le persone stanno lentamente ma inesorabilmente abbracciando i veicoli elettrici (EV), ma il ritmo di questa transizione deve ancora accelerare affinché il mondo possa raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette nel 2050. Nonostante i miglioramenti esponenziali dei veicoli elettrici, molti conducenti sono ancora riluttanti ad abbandonare dietro la comodità delle loro auto a benzina. Insieme ai costi, le preoccupazioni per la mancanza di stazioni di ricarica e per la durata della batteria sono state citate come i principali ostacoli per i consumatori statunitensi all’acquisto di un veicolo elettrico in un sondaggio Ipsos Mori dello scorso anno. Per i produttori di automobili, gran parte di ciò dipende dalle persistenti restrizioni sull’autonomia e sulla longevità delle attuali batterie agli ioni di litio (Li-ion) sotto i cofani dei veicoli elettrici.
Tuttavia, un team di scienziati dell’Università di Harvard ritiene di aver compiuto un passo importante verso la soluzione di questi dilemmi. I ricercatori della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate (SEAS) hanno sviluppato un nuovo "stato solido" batteria che può caricarsi nel tempo necessario per riempire il serbatoio della benzina e sopportare un numero di cicli di ricarica da 3 a 6 volte superiore rispetto alla tipica batteria di un veicolo elettrico.
Le batterie allo stato solido sono state a lungo considerate il Santo Graal per una transizione diffusa verso i trasporti elettrificati e la corsa alla loro commercializzazione si è accelerata negli ultimi anni. Aziende del calibro di Toyota e Volkswagen stanno sviluppando le proprie versioni, che sperano di introdurre nei veicoli entro la fine del decennio. Con la spinta di quest'ultima innovazione di Harvard, le batterie allo stato solido sono finalmente pronte a essere all'altezza del loro clamore?
I vantaggi degli elettroliti solidi rispetto a quelli liquidi
Oggi, le batterie agli ioni di litio dettano legge; sono utilizzati in tutto, dai telefoni cellulari e laptop ai veicoli elettrici e ai sistemi di accumulo di energia. Ricercatori e produttori hanno abbassato il prezzo delle batterie agli ioni di litio del 90% negli ultimi dieci anni e credono di poterle rendere ancora più economiche. Credono anche di poter realizzare una batteria al litio ancora migliore.
Queste batterie utilizzano un elettrolita liquido per spostare gli ioni tra un catodo e un anodo durante la scarica e la ricarica. Tuttavia, il liquido è infiammabile e impedisce l'aggiunta di materiali che prolungano la durata della batteria. I ricercatori ritengono che una soluzione sarebbe quella di utilizzare elettroliti solidi anziché liquidi.
Queste batterie allo stato solido promettono un’ampia varietà di vantaggi rispetto alle loro controparti a base liquida. Soprattutto offrono una maggiore densità energetica; ciò significa che possono immagazzinare più energia per unità di volume o peso, con conseguente maggiore durata della batteria o pacchi batteria più piccoli e leggeri. Promettono anche un ciclo di vita più lungo; resistere a più cicli di carica-scarica senza degradarsi, aumentando così la durata della batteria. L'uso di un elettrolita solido consente inoltre una ricarica molto più rapida senza il rischio di danni alla batteria grazie al trasporto degli ioni più efficiente.
Le batterie a stato solido possono funzionare in un intervallo di temperature più ampio rispetto alle batterie a base liquida, consentendo un migliore utilizzo in condizioni climatiche estreme. Sono generalmente considerate più sicure perché un elettrolita solido riduce il rischio di cortocircuiti e surriscaldamento, che possono provocare incendi o esplosioni nelle batterie a base liquida. Infine, l’elettrolita solido può essere realizzato con una gamma più ampia di materiali più economici e più rispettosi dell’ambiente.
Nel complesso, le batterie allo stato solido hanno il potenziale per rivoluzionare il settore delle batterie offrendo prestazioni, sicurezza e longevità migliorate rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. “A causa della loro elevata densità di energia, le batterie allo stato solido saranno più adatte per i veicoli elettrici piuttosto che per i sistemi di stoccaggio dell’energia [stazionari], e possono davvero dare un contributo chiave all’elettrificazione dei trasporti pesanti”, afferma Teo Lombard, un modellista energetico per trasporti presso l’Agenzia internazionale dell’energia (IEA).
“Un balzo in avanti” nel design delle batterie a stato solido
I ricercatori SEAS hanno sviluppato una batteria delle dimensioni di un francobollo utilizzando un design a “cella a sacchetto”, piuttosto che la tipica variante “a moneta”. La batteria ha mantenuto l'80% della capacità dopo 6,000 cicli di ricarica e ha funzionato bene a basse temperature. Ha sovraperformato le altre batterie allo stato solido poiché i ricercatori hanno trovato il modo di realizzarlo con un anodo di litio-metallo, che ha dieci volte la capacità del tipico anodo di grafite.
Il nuovo design multistrato e multimateriale è stato in grado di superare il problema pervasivo dei “dendriti”, strutture simili a radici che crescono dalla superficie dell’anodo nell’elettrolita. Questi possono perforare la barriera che separa il catodo opposto, provocando un cortocircuito nella batteria e, talvolta, incendiandosi.
La maggiore durata della batteria – equivalente a circa 30 anni – potrebbe ridurre notevolmente il costo dei veicoli elettrici, mentre la capacità di caricare la batteria in pochi minuti le conferisce un’eccezionale densità di potenza che potrebbe prestarsi ad altre applicazioni.
“Siamo riusciti a caricare la batteria in 5-10 minuti per 6,000 cicli; Di solito, le batterie dei veicoli elettrici impiegano diverse ore per caricarsi e hanno tra 1,000 e 2,000 cicli”, afferma Xin Li, professore associato di scienza dei materiali presso la SEAS e ricercatore principale del progetto. “La nostra ricerca mostra anche che si potrebbero utilizzare altri materiali come anodo, come argento, magnesio o silicio. Si tratta sicuramente di un passo avanti verso il ridimensionamento della produzione di massa di batterie allo stato solido”.
“Dal laboratorio al mondo reale”
Non tutti, però, ne sono convinti. “L’attuale sfida delle batterie allo stato solido è l’implementazione e l’espansione, piuttosto che ottenere qualcosa di ancora migliore a livello di cella”, afferma Lombard.
Dal punto di vista ingegneristico, una sfida che l’industria deve ancora superare è la produzione di un pacco batteria a stato solido in grado di sopportare pressioni estremamente elevate pur essendo in grado di “respirare” – espandersi e contrarsi. “La soluzione a questo problema potrebbe annullare i guadagni di densità energetica delle batterie allo stato solido, quindi questa è davvero una domanda a cui l’industria deve rispondere nei prossimi anni attraverso il processo di espansione”, afferma Lombard.
Dal punto di vista della sicurezza, un altro problema che i produttori di batterie a stato solido devono superare è che anche se una batteria a stato solido non prende fuoco quando va in cortocircuito, altri materiali nel motore potrebbero farlo. “Ancora una volta, questa è una sfida ingegneristica che deve essere testata e verificata a livello industriale”, afferma Lombard.
Infine, c’è il notevole ostacolo legato alla costruzione di una catena di approvvigionamento per le batterie allo stato solido. Secondo Lombard, le catene di fornitura delle batterie richiedono materiali di alta qualità in volumi molto elevati, perché una batteria non funziona anche con una quantità minuscola di contaminanti. "Ci vuole molto tempo per costruirlo", dice. “Questo è anche dovuto al fatto che il campo più ampio delle batterie sta crescendo in modo esponenziale, quindi quello a stato solido non sta entrando in un mercato fisso ma piuttosto in un mercato in cui ogni tecnologia, inclusa la tradizionale batteria agli ioni di litio, sta migliorando incredibilmente velocemente ed è necessario guadagnare qualcosa. spazio in esso.
Per Lombard, il successo delle batterie allo stato solido non deriverà da nuove scoperte accademiche – “per quanto importante sia questo studio”, avverte – ma piuttosto dal modo in cui l’industria risolverà le restanti sfide ingegneristiche e svilupperà la catena di approvvigionamento associata.
“Le batterie allo stato solido hanno un grande potenziale, ma il modo in cui l’industria risolverà queste sfide [ingegneristiche] determinerà se prenderanno il sopravvento sul mercato delle batterie per veicoli elettrici o se rimarranno un’applicazione di nicchia per auto e camion a lunga percorrenza”, afferma.
Secondo una recente ricerca di Focus, una piattaforma di analisi AI che prevede scoperte tecnologiche basate su dati di brevetti globali, la tecnologia delle batterie a stato solido sta migliorando a un ritmo del 31% su base annua. Anche se impressionante, questo non è attualmente un ritmo sufficiente per sconfiggere gli operatori storici, con le batterie agli ioni di litio che migliorano ad un simile 30.5%.
L’IEA prevede che le batterie allo stato solido svolgeranno un ruolo importante nella transizione a zero emissioni nette, in particolare per decarbonizzare i trasporti pesanti attraverso applicazioni come i camion elettrici. "Ma è importante non sopravvalutare o sottovalutare il settore", afferma Lombard. Se le batterie allo stato solido riusciranno a realizzare il loro potenziale, sarà intorno al 2030, prevede. “In questo momento, hanno davvero bisogno di essere spostati dal laboratorio al mondo reale”.
Da parte sua, Li ritiene che occorrerà intorno al 2030 prima che lo stato solido diventi mainstream. “Prima di allora, ci sono ancora molte barriere tecniche da superare”, afferma. “Le [recenti] scoperte non anticipano necessariamente la data del 2030, la rendono possibile”.
Fonte da Solo auto
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