L'avvento della mobilità elettrica come la conosciamo oggi è stato possibile grazie al continuo studio che ha permesso alle batterie agli ioni di litio di evolversi al punto a cui siamo arrivati oggi, ma per loro natura le batterie al litio hanno dei limiti tecnici che l'industria automobilistica ha tutto l'interesse a superare, poiché superando questi limiti si può aumentare sensibilmente la densità energetica della batteria, al contempo riducendone il peso, tutto a favore di una guida più piacevole e con meno ansie da ricarica. Ormai da diversi anni sentiamo parlare delle batterie allo stato solido come la grande novità tecnica destinata a cambiare radicalmente il mercato della mobilità elettrica; lo sviluppo di queste batterie è iniziato più di 10 anni fa, quando si è scoperto che era possibile sostituire l'elettrolita liquido - l'elemento che nelle attuali batterie consente il movimento agli ioni di litio, poiché in grado di condurre corrente elettrica - con uno strato di materiale solido, quindi più stabile e semplice da gestire.
Batterie agli ioni di litio a elettrolita liquido: come sono composte?
Per capire meglio le differenze tra le attuali batterie al litio e le batterie allo stato solido dobbiamo partire dalle prime, e capire meglio come sono composte.
Le attuali batterie agli ioni di litio sono realizzate da tante celle assemblate in serie, all'interno delle quali sono presenti fondamentalmente 3 strati: abbiamo l'elettrodo positivo o catodo, l'elettrodo negativo o anodo e uno strato intermedio polimerico microporoso che evita che catodo e anodo si tocchino, dando vita a un cortocircuito. Questi 3 strati sono immersi in un composto chimico liquido o in forma di gel: questo liquido svolge la funzione di elettrolita, è quello strato che permette agli ioni di litio di spostarsi all'interno della batteria tra catodo e anodo a seconda che l'auto sia in uso o attaccata a una colonnina di ricarica.
Durante la fase di ricarica, cioè quando viene applicata tensione ai poli della batteria, gli ioni di litio all'interno si spostano dal catodo, viaggiano nell'elettrolita liquido, attraversano lo strato polimerico intermedio e raggiungono l'anodo, oggi realizzato principalmente in grafite: durante questo viaggio si genera la differenza di potenziale necessaria ad alimentare un circuito esterno - ad esempio il motore elettrico di un'auto - durante la fase di scarica, quando gli ioni di litio fanno il percorso inverso spostandosi dall'anodo al catodo, abbassando il potenziale chimico della cella e spingendo quindi gli elettroni nel motore.
Batterie allo stato solido: cosa cambia e quali sono i vantaggi?
Le batterie a elettrolita liquido presentano però una serie di limiti tecnici sostanzialmente insuperabili, proprio a causa della presenza di liquido all'interno: in caso di temperatura interna troppo alta, o in caso di danneggiamento fisico di una cella, l'elettrolita potrebbe avere reazioni chimiche con altri elementi, dando vita a fughe di gas, arrivando nel peggiore dei casi all'incendio della batteria, e come ben sappiamo spegnere l'incendio generato da questo tipo di batterie è molto difficile e dispendioso.
Per questi motivi, ma non solo, da ormai più di 10 anni si sperimenta e si sta sviluppando una batteria completamente solida, anche nell'elettrolita: anziché un liquido composto da sali di litio disciolti in solventi organici, l'elettrolita di una batteria allo stato solido può essere composto da strati solidi di poliuretano, poliesteri, fosfati, ma ancora non si è trovata la soluzione ottimale.
Le batterie allo stato solido sono quindi composte da un minor numero di strati sovrapposti: da una parte abbiamo il catodo, l'elettrodo positivo, che viene realizzato dai classici materiali catodici uniti alle particelle solide dell'elettrolita, una sorta di catodo composito, mentre dall'altra abbiamo un anodo che avrà un volume sensibilmente ridotto. E' proprio grazie a questo aspetto che le batterie allo stato solido possono offrire una densità energetica maggiore: avendo un volume minore a parità di capacità, si potrà dare vita a batterie con una capacità superiore occupando lo stesso volume, oppure si potrà ridurre le dimensioni delle batterie a parità di capacità.
Oggi le batterie agli ioni di liquido a elettrolita liquido hanno una densità energetica di circa 700 Wh/L, mentre le batterie allo stato solido promettono una densità di 1200 Wh/L: anche senza fare calcoli precisi, si intuisce che con l'avvento delle batterie allo stato solido potremmo vedere l'autonomia delle auto elettriche quasi raddoppiata.
Per ricapitolare, le batterie allo stato solido offrono la possibilità di ridurre il peso e il volume della batteria o di aumentare drasticamente l'autonomia a parità di volume, al contempo sono molto più sicure per quanto riguarda l'infiammabilità vista l'assenza di liquidi, il tutto unito alla capacità di ricaricarsi più velocemente e perdendo meno capacità sul lungo periodo, quando oggi le batterie al litio sono garantite per circa 1000 cicli di ricarica.
Batterie allo stato solido: cosa manca per arrivare sul mercato?
Quindi se le batterie allo stato solido sono così più avanzate e capaci rispetto a quelle attuali, perché non sono già arrivate sul mercato?
Anche se a livello teorico le batterie allo stato solido sono già state ampiamente capite, all'atto pratico creare queste batterie e assicurarsi che mantengano quasi invariate le proprie prestazioni sul lungo periodo è più difficile di quanto si possa pensare. Innanzitutto c'è il problema del volume: essendo prive di liquido, queste batterie tendono a cambiare di volumetria interna, mentre sul lungo periodo si è osservata la formazione di aggregazioni cristalline di forma appuntita, le dendriti, che minaccia di bucare lo strato di separazione tra catodo e anodo, con tutti i rischi che ne conseguono. Queste formazioni sono presenti anche nelle batterie con elettrolita liquido, ma in questo caso il rischio di danneggiamento dello strato di separazione è molto più basso.
Inoltre, prima che le batterie allo stato solido possano essere commercializzate sarà fondamentale mettere a punto dei processi produttivi che siano economicamente viabili; come sempre in questi casi si tratterà di un processo lento, iniziato dalle fasce più abbienti di popolazione che potranno permettersi di investire su una tecnologia nuova e dall'altissimo potenziale, prima che questa si sviluppi a sufficienza da diventare più economica per tutti, proprio come è avvenuto con le batterie che oggi girano sul mercato.
Quali case automobilistiche adotteranno le batterie allo stato solido?
E' ancora un po' presto per dirlo con certezza, ma la speranza è che sul lungo periodo tutte le case automobilistiche passino a batterie allo stato solido, più sicure e capaci di quelle con elettrolita liquido; ad oggi sappiamo che ci sono diverse case automobilistiche impegnate nello sviluppo di questa soluzione, come ad esempio Toyota, una delle società automobilistiche più avanti nello sviluppo di queste soluzioni, o anche BMW che sta collaborando con la società Solid Power, ma le batterie allo stato solido interessano anche al mondo del motociclismo, in particolare a Ducati che prima di portare su strada pubblica la sua prima moto elettrica vuole assicurarsi che prestazioni e autonomia siano in linea con le esigenze della sua clientela.
Tra le case automobilistiche più impegnate nel campo dello sviluppo delle batterie allo stato solido c'è anche Porsche, che come ben sappiamo ha avuto un grande successo grazie a Porsche Taycan e che non vede l'ora di elettrificare anche il resto della sua gamma grazie al supporto di Quantumscape, una società statunitense.
Se volete approfondire ulteriormente il tema delle batterie allo stato solido vi consigliamo di dare un'occhiata al video di seguito: