Tecnologia delle batterie a stato solido per auto elettriche: le sfide ci attendono

La frase "cosa c'è sotto il cofano" sta rapidamente diventando obsoleta. Per le auto alimentate a combustione interna, il motore è spesso il fattore più importante per le prestazioni complessive dell'auto. Ma oggi, con l’avvento dei veicoli elettrici, la questione è controversa, e non solo perché di solito sotto il cofano si trovano una varietà di componenti non tradizionali e forse un po’ di spazio per riporre gli oggetti.

Per i consumatori di oggi che intendono acquistare un veicolo elettrico, il componente più importante è la batteria. Tutti i veicoli elettrici del mercato di massa oggi si affidano a pacchi batterie agli ioni di litio per alimentare i motori elettrici che li fanno funzionare. (Sebbene la chimica a volte sia diversa, il litio rimane l’elemento chiave.) Queste batterie sono grandi e pesanti e spesso occupano l’intero pavimento dell’auto; alcuni addirittura divorano parti del bagagliaio e del tunnel di trasmissione.

Le batterie di oggi sono anche sensibili alle temperature estreme, si caricano ancora lentamente rispetto ai riempimenti di gas, si degradano nel tempo e possono trasformarsi in inferni terribilmente intensi. Sebbene il design delle batterie agli ioni di litio sia migliorato molto negli ultimi anni (rendendo le singole celle molto meno esplosive), la loro struttura fondamentale significa che il fuoco sarà sempre un rischio.

Ma è in fase di sviluppo un nuovo tipo di batteria che potrebbe rivoluzionare le prestazioni dei veicoli elettrici, dando vita a pacchi che offrono più energia con un peso ridotto e con meno rischi di esplosione. Si chiamano batterie allo stato solido e, sebbene abbiano un enorme potenziale, ci sono ancora una serie di ostacoli da superare prima che arrivino sul mercato.

Per capire cosa rende diverse le batterie allo stato solido, dovremo entrare un po' nel tecnico. Quindi allacciatevi le cinture, ma cercheremo di mantenerlo leggero.

Quasi tutte le batterie, comprese le tradizionali batterie agli ioni di litio e le batterie allo stato solido (che utilizzano anch’esse gli ioni di litio come base chimica), condividono la stessa architettura di base. Da un lato c'è il catodo, che funge da terminale positivo durante la scarica. Dall'altro lato vive l'anodo, che è il terminale negativo. Ciò che accade internamente varia a seconda del tipo di batteria, ma in generale una reazione fa sì che gli elettroni fluiscano da un lato all'altro, creando un circuito e alimentando il telefono, l'orologio, l'auto o altro.

Le batterie agli ioni di litio del tuo smartphone o veicolo elettrico sono progettate per essere le più piccole possibile, quindi l'anodo e il catodo sono inseriti uno accanto all'altro, a volte addirittura avvolti l'uno attorno all'altro nel caso delle batterie cilindriche. Lasciare che questi due componenti si tocchino causerebbe un cortocircuito elettrico, il che è una pessima notizia. Quindi, per mantenere le cose separate, nel mezzo viene inserita una membrana chiamata separatore. Di solito è una sottile pellicola di plastica.

Ma affinché la batteria funzioni, gli ioni devono fluire dall’anodo al catodo o viceversa, a seconda che la batteria stia fornendo energia o sia ricaricata. Come si fa a farli fluire attraverso un separatore di plastica? Usi una soluzione elettrolitica liquida e assicurati che il separatore sia sufficientemente poroso da consentirne il flusso.

In una batteria a stato solido, concettualmente la stessa struttura di base è la stessa: anodo e catodo con un separatore in mezzo. In questo caso però il separatore è l’elettrolita, un materiale solido, spesso ceramico, che permette direttamente il flusso degli ioni.

Sembra un cambiamento minore, ma ha enormi implicazioni, sia positive che negative. Prima di esaminare le sfide, esaminiamo alcuni vantaggi dello stato solido.

La densità energetica di una batteria indica la quantità di elettricità effettiva che può produrre per un dato peso o volume. Questo è fondamentale perché una batteria con una densità maggiore significa meno peso, il che potrebbe effettivamente aumentare l’autonomia di un veicolo elettrico anche se la potenza elettrica della batteria rimane la stessa.

"Mentre ci si sposta verso le batterie allo stato solido, la ragione per cui sono così utili, e il motivo per cui si ottiene questo vantaggio in termini di prestazioni, è che consentono l'uso di anodi a densità di energia più elevata", ha affermato Rory McNulty, coautore del rapporto sulle batterie allo stato solido e al litio metallico di Benchmark Mineral Intelligence. McNulty afferma che questo aumento potrebbe significare batterie tre volte più dense di energia rispetto alle attuali celle agli ioni di litio.