Le batterie allo stato solido sono considerate la nuova frontiera del settore, offrendo evidenti vantaggi rispetto alle batterie agli ioni di litio convenzionali come l’aggiunta di densità energetica, una ricarica più rapida, la riduzione dei costi e la riduzione dei problemi di infiammabilità. L’unica sfida che rimane ancora in piedi è come aumentare la produzione di queste batterie di nuova generazione.
Una startup della Silicon Valley ha trovato una soluzione innovativa. Nella fabbrica di Sakuu a San Jose (California), una rivoluzionaria tecnologia di stampa 3D sta trasformando il modo in cui vengono prodotte le batterie. Utilizzando sottili strati di polvere, questa tecnica può modificare l’aspetto fisico delle batterie, come ad esempio la creazione di batterie curve per e-bike che si adattano perfettamente al telaio della bicicletta o batterie personalizzate per cellulari che si adattano perfettamente al circuito stampato, prolungando il tempo tra le ricariche.
Le caratteristiche e la produzione delle nuove batterie a stato solido
Secondo Sakuu, le nuove batterie, presentano consistenti vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di Litio, molti derivati dall’innovativo processo di produzione denominato KavianTM. Le fasi del processo vengono così descritte dal produttore:
- Deposizione delle polveri. La polvere viene depositata in un modello progettato sul substrato di trasporto automatizzato.
- Condizionamento della polvere. Il modello viene sottoposto a più fasi per prepararlo alla deposizione di polimeri e metalli.
- Ispezione degli strati. In più punti, lo strato viene ispezionato per garantire che non vi siano difetti.
- Getto del raccoglitore. Il legante polimerico viene depositato sullo strato.
- Getto d’inchiostro metallico. Il metallo conduttivo viene depositato sullo strato.
- Impilamento. Gli strati vengono quindi impilati uno sull’altro.
I vantaggi della nuova tecnologia sembrano molto consistenti.
- La capacità è maggiore del 100% rispetto alle batterie tradizionali di pari dimensione o, a pari capacità, le dimensioni sono ridotte del 50%.
- Ciclo di vita aumentato.
- Migliorata non infiammabilità secondo le norme vigenti.
- Carica ultra rapida: caricamento all’80% in circa 15 minuti.
- Riciclabilità. La maggior parte dei materiali utilizzati è riciclabile e riutilizzabile.
- Riduzione dei costi nei materiali utilizzati, nel processo di produzione, nella supply chain e nel lavoro.
- Produzione Swift Print™ . Produzione rapida e ad alto volume con la piattaforma Kavian in ambienti di fabbrica di qualsiasi dimensione.
- Forme e dimensioni personalizzate per ampie applicazioni consumer e industriali.
Le nuove batterie allo stato solido devono affrontare un problema
Le batterie agli ioni di litio allo stato solido hanno il potenziale per rivoluzionare il settore dell’accumulo di energia fornendo una soluzione più sicura, più efficiente e più rispettosa dell’ambiente per i veicoli elettrici e altre applicazioni. Tuttavia, ci sono alcuni nodi che devono essere risolti anche in questi progetti prima che possano essere prodotti su larga scala. Ed è qui che una nuova ricerca ha fornito una svolta.
Sebbene le batterie al litio metallico a ricarica rapida e ad alta densità energetica con elettroliti solidi abbiano mostrato molte promesse, non hanno funzionato come previsto. Mentre queste versioni leggere, non infiammabili e ad alta densità energetica possono essere caricate molto rapidamente, un misterioso cortocircuito sta creando un ostacolo alla loro adozione più ampia. I ricercatori della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory ora affermano di aver risolto questo problema.
Per essere precisi, il tutto può ridursi a uno stress meccanico, specialmente durante una ricarica potente. Non c’è da stupirsi, ai proprietari di veicoli elettrici viene suggerito dai produttori di non utilizzare troppo queste ricariche super rapide. I ricercatori si sono affrettati a sottolineare, tuttavia, che questa non è l’unica causa di fallimento. Anche la polvere o altre impurità introdotte nella produzione possono generare uno stress sufficiente a causare guasti.
La questione del guasto elettrolitico solido non è una scoperta recente ed è stata oggetto di numerosi studi. Ci sono diverse teorie sulla causa principale del problema – alcune che lo attribuiscono al flusso involontario di elettroni, altri citano fattori chimici e ancora, altri postulano il coinvolgimento di varie altre forze. Tenendo presente tutto questo, i ricercatori del nuovo studio hanno condotto esperimenti estesi e statisticamente significativi, mostrando come i difetti su scala nanometrica e lo stress meccanico causino il fallimento degli elettroliti solidi.
I ricercatori di tutto il mondo, lavorando per creare innovative batterie ricaricabili a elettrolita solido, possono aggirare il problema o sfruttare i risultati di questo studio di Stanford a loro vantaggio. Lo sviluppo di batterie al litio metallico ad alta densità energetica, a ricarica rapida e non infiammabili che offrono una durata prolungata può potenzialmente superare gli ostacoli principali all’adozione diffusa di veicoli elettrici, offrendo anche una serie di altri vantaggi.
Numerosi elettroliti solidi attualmente in uso sono composti da ceramica. Questi materiali facilitano il rapido trasporto degli ioni di litio mentre separano fisicamente i due elettrodi di accumulo di energia. In particolare, sono resistenti agli incendi. Tuttavia, come le ceramiche che impieghiamo nelle nostre case, sono suscettibili di sviluppare minuscole crepe superficiali. In oltre 60 esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che la ceramica presenta spesso piccole fessure, ammaccature e fratture, molte delle quali sono larghe meno di 20 nanometri (per riferimento, un foglio di carta ha uno spessore di circa 100.000 nanometri).
Secondo il team, queste crepe intrinseche si aprono durante la ricarica rapida, consentendo al litio di infiltrarsi. Il team ha condotto diversi esperimenti applicando una sonda elettrica a un elettrolita solido, creando una batteria in miniatura, e quindi utilizzando un microscopio elettronico per osservare il processo di ricarica rapida in tempo reale. Successivamente hanno impiegato un fascio di ioni come strumento di taglio per indagare sul motivo per cui il litio si accumula sulla superficie di alcune sezioni dell’elettrolita ceramico, come previsto, ma inizia a scavare in altre aree, creando infine un cortocircuito colmando attraverso l’elettrolita solido.
Il fattore determinante sembra essere la pressione. Quando la sonda elettrica tocca solo la superficie dell’elettrolita, il litio si riunisce uniformemente sopra l’elettrolita, anche quando la batteria si carica in meno di un minuto. Tuttavia, se la sonda applica pressione all’elettrolita ceramico, simulando le sollecitazioni meccaniche di indentazione, flessione e torsione, è più probabile che la batteria vada in cortocircuito.
Una batteria allo stato solido è composta da numerosi strati di fogli catodo-elettrolita-anodo, disposti uno sopra l’altro. L’elettrolita è responsabile della divisione fisica del catodo e dell’anodo consentendo contemporaneamente agli ioni di litio di spostarsi tra i due con facilità. Nel caso in cui il catodo e l’anodo si tocchino o siano collegati elettricamente in qualsiasi modo, ad esempio attraverso un tunnel di litio metallico, si verifica un cortocircuito.
Con le loro nuove conoscenze, il team di Chueh sta esplorando metodi per impiegare deliberatamente queste stesse forze meccaniche per migliorare la tenacità del materiale durante la produzione, in modo simile a come un fabbro rafforza una lama durante la produzione. Inoltre, stanno studiando modi per rivestire la superficie dell’elettrolita per evitare che si verifichino crepe o fissarle se appaiono.
La ricerca completa è stata pubblicata sul Journal of Nature Energy.
