Batterie allo stato solido, nuovo elettrolita sottile come capelli

Le batterie allo stato solido fanno un altro passo verso una possibile produzione su scala più ampia. Un gruppo di ricercatori è riuscito a realizzare un film di elettrolita solido grande 30 x 10 centimetri e spesso appena 28 micrometri, quindi paragonabile a pochi capelli sovrapposti. La caratteristica più interessante, però, non riguarda soltanto le dimensioni: il foglio è flessibile, compatto e soprattutto autoportante, quindi può essere manipolato senza la necessità di un materiale di supporto.

Il risultato è stato ottenuto attraverso un processo definito “quasi a secco”, che riduce fortemente l’impiego dei solventi utilizzati nelle lavorazioni tradizionali. Una soluzione che potrebbe semplificare alcuni passaggi produttivi degli elettroliti solidi. Ma attenzione: siamo ancora nell’ambito della ricerca e parlare di batterie pronte per le auto elettriche sarebbe prematuro.

I risultati ottenuti sulle celle sperimentali sono comunque interessanti: in una configurazione è stato mantenuto il 93% della capacità dopo 500 cicli, mentre una cella a sacchetto da 50 mAh ha conservato l’83% dopo 1.000 cicli.

Batterie allo stato solido: perché questo foglio è importante

Per capire la novità bisogna partire dall’elettrolita, uno degli elementi fondamentali di una batteria. Il suo compito è consentire agli ioni di muoversi tra gli elettrodi durante i cicli di carica e scarica.

Nelle batterie tradizionali l’elettrolita è liquido. Nelle batterie allo stato solido viene invece sostituito, come suggerisce il nome, da un materiale solido. Questa tecnologia è studiata con grande attenzione perché potrebbe aprire la strada a batterie più sicure, compatte e capaci di immagazzinare una maggiore quantità di energia.

Il problema è passare dai piccoli campioni realizzati in laboratorio a materiali che possano essere prodotti e assemblati in maniera efficace su scala industriale.

Lo studio interviene proprio su questo punto.

I ricercatori hanno lavorato su un elettrolita solfidico, una tipologia caratterizzata da un’elevata conducibilità ionica. In termini semplici, significa che gli ioni di litio riescono a muoversi rapidamente attraverso il materiale, caratteristica importante per il funzionamento della batteria.

I solfuri, però, hanno anche un grosso limite: sono difficili da lavorare e particolarmente sensibili all’umidità. Per questo richiedono ambienti produttivi estremamente controllati.

Le attuali linee sperimentali utilizzano spesso polveri pressate a freddo. Ottenere invece un film continuo, sottile e sufficientemente resistente da sostenersi da solo potrebbe facilitare l’assemblaggio delle future celle.

Un elettrolita di appena 28 micrometri

La soluzione sviluppata dai ricercatori prevede l’impiego dell’alfa-pinene, una molecola di origine organica utilizzata come additivo durante la miscelazione.

Il suo compito è rendere il film più flessibile e compatto, diminuendo gli spazi vuoti che possono formarsi tra le particelle del materiale durante la lavorazione.

I numeri mostrano l’effetto dell’intervento. La porosità è passata dal 12,24% al 7,78%. In pratica, all’interno dell’elettrolita sono presenti meno vuoti microscopici.

È un risultato importante perché una struttura più densa può favorire il passaggio degli ioni e, allo stesso tempo, migliorare la resistenza alle sollecitazioni meccaniche che si verificano durante i cicli di utilizzo.

Il film ottenuto ha uno spessore di soli 28 micrometri e misura 30 centimetri di lunghezza per 10 di larghezza. Non siamo ancora alle dimensioni richieste da una vera produzione automotive, ma la superficie è decisamente più significativa rispetto a quella di un piccolo campione da laboratorio.

La conducibilità ionica misurata a temperatura ambiente raggiunge 4,79 mS/cm.

Meno solventi per semplificare la produzione

L’altro elemento interessante riguarda il processo utilizzato per ottenere il film.

La tecnica viene definita quasi a secco perché riduce gran parte dei solventi liquidi normalmente necessari nei processi di rivestimento a umido. Questo significa diminuire anche le successive fasi di asciugatura.

Nel caso degli elettroliti solfidici c’è un ulteriore vantaggio potenziale. Utilizzare meno liquidi può ridurre il rischio che rimanga umidità residua, particolarmente problematica per questa famiglia di materiali.

La possibilità di ottenere direttamente un film sottile, flessibile e autoportante potrebbe inoltre rendere più semplice la movimentazione del materiale durante la costruzione delle celle.

I ricercatori hanno testato il nuovo elettrolita anche all’interno di celle complete con catodo al nichel-cobalto-manganese e uno strato protettivo di niobato di litio.

In questa configurazione è stato mantenuto il 93% della capacità iniziale dopo 500 cicli, con una pressione applicata di 2 MPa. Una cella pouch, cioè a sacchetto, con capacità di 50 mAh ha invece conservato l’83% della capacità dopo 1.000 cicli.

Sono risultati che riguardano la durata sperimentale delle celle e non vanno interpretati come dati relativi all’autonomia o alle prestazioni di una futura auto elettrica.

Quando arriveranno queste batterie sulle auto elettriche?

È proprio questo il punto sul quale serve maggiore cautela.

Lo studio indica una strada verso una produzione potenzialmente scalabile, ma ciò non significa che la tecnologia sia già pronta per essere trasferita direttamente nelle gigafactory.

Produrre un foglio da 30 x 10 centimetri in laboratorio e fabbricare grandi quantità di celle automotive con caratteristiche uniformi sono due sfide molto diverse.

Rimane inoltre il problema della sensibilità all’umidità degli elettroliti solfidici. Il nuovo processo rende il materiale più compatto e riduce l’utilizzo dei solventi, ma non elimina la necessità di lavorare in ambienti con livelli di umidità estremamente bassi.

Serviranno inoltre materiali con caratteristiche costanti, processi ripetibili e superfici molto più grandi.

Per questo il nuovo film da 28 micrometri non rappresenta la soluzione definitiva alla corsa verso le batterie allo stato solido per auto elettriche. Dimostra però che è possibile produrre un elettrolita solfidico sottile, flessibile e autoportante attraverso un processo che utilizza meno solventi.

Ed è proprio la produzione uno degli ostacoli decisivi. Le prestazioni ottenute in laboratorio contano, ma per vedere davvero le batterie allo stato solido sulle auto di grande serie sarà necessario dimostrare di poter replicare questi risultati su milioni di celle, con costi sostenibili e qualità costante. Il nuovo “foglio” sottile come pochi capelli è un passo in quella direzione, non ancora il traguardo.