Quando arrivano le batterie allo stato solido?

Sono almeno 20 anni che si parla delle batterie allo stato solido come “svolta” per le auto elettriche. Una svolta che promette di eliminare l’ansia da autonomia, ridurre i tempi di ricarica e rendere le auto elettriche pratiche e convenienti come quelle a benzina, senza le fastidiose emissioni allo scarico che inquinano l’aria e danneggiano la salute.

Eppure sembrano essere rimaste intrappolate in laboratorio. Cosa le trattiene? Quanto sono vicine ad alimentare i veicoli elettrici? Esistono davvero o rimarranno fantascienza?

Arrivo imminente, ma graduale

Gli esperti hanno dichiarato a InsideEVs US che il progresso delle batterie allo stato solido non è così lento come sembra. Le aziende sono più vicine che mai alla commercializzazione, ma gli ostacoli rimangono. Proprio come per le batterie agli ioni di litio, si prevede che il loro sviluppo sarà lento e graduale. Le batterie semisolide arriveranno per prime sul mercato, fungendo da “tecnologia ponte” prima che lo stato solido vero e proprio raggiunga la produzione di massa.

“Siamo in una fase di sperimentazione delle innovazioni per avvicinarle alle applicazioni automobilistiche – ha dichiarato a InsideEVs Siyu Huang, ceo della startup Factorial -. La sfida principale per lo stato solido è la scalabilità: la capacità di produrlo in quantità massicce”. 

Batterie allo stato solido: come funzionano

Facciamo un salto indietro, giusto per ricordare come sono fatte le batterie allo stato solido. In una cella agli ioni di litio tradizionale, l’elettrolita – il materiale che trasporta gli ioni tra i cicli di carica e scarica – è tipicamente un liquido chimico a base di litio. Le batterie a stato solido sostituiscono questo materiale con un elettrolita solido, spesso costituito da polimeri, solfuri o ossidi. L’obiettivo rimane lo stesso: far passare gli elettroni tra il catodo e l’anodo per alimentare il veicolo.

Anni di studi dimostrano che l’elettrolita solido comporta vantaggi fondamentali. Le batterie allo stato solido racchiudono più energia in uno spazio più piccolo, si ricaricano più velocemente, sono più sicure e offrono una migliore stabilità termica rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. 

Poi ci sono le batterie allo stato semisolido, che utilizzano un elettrolita simile tipo gel: una soluzione ibrida a metà strada tra le tradizionali batterie agli ioni di litio e quelle allo stato solido.

Chi arriverà per primo?

In questo momento storico c’è una spinta massiccia per dare vita a entrambe queste chimiche di batterie (solide e semisolide). Factorial di Huang, con sede nel Massachusetts, è tra i leader in questo settore. Ha stipulato accordi di sviluppo congiunto con Mercedes, Stellantis e Hyundai (che, secondo quanto riferito, potrebbe anche rivelare i propri prototipi a stato solido il mese prossimo) e sta presentando prodotti sempre più maturi e affidabili.

L’anno scorso Factorial ha presentato la sua batteria allo stato solido Solstice. Utilizza un elettrolita a base di solfuro che si dice raggiunga una densità energetica rivoluzionaria di 450 wattora per chilogrammo. La maggior parte delle celle agli ioni di litio attualmente utilizzate nei veicoli elettrici ha una densità di energia ben al di sotto dei 300 Wh/kg. Una maggiore densità di energia significa che la batteria di un veicolo elettrico può immagazzinare più energia senza diventare più grande o più pesante, con conseguente maggiore autonomia di guida.

Anche altri operatori si stanno impegnando nello sviluppo di questa tecnologia. L’azienda californiana QuantumScape ha stipulato un accordo con PowerCo, filiale del gruppo Volkswagen, per industrializzare le batterie allo stato solido. Il Gruppo BMW e Ford hanno investito milioni di dollari nella Solid Power, con sede in Colorado; in Giappone, Toyota e Honda stanno portando avanti lo sviluppo interno di batterie allo stato solido.

Lo scoglio è produrre in massa

Tuttavia, la produzione in serie di batterie allo stato solido rappresenta un grosso ostacolo. “Parte del problema della tempistica è che non è possibile utilizzare gli stessi impianti e processi di produzione per le batterie allo stato solido – ha dichiarato Liz Najman, direttore del market insights della start-up Recurrent, che si occupa di salute e dati sulle batterie -. È necessario costruire tutto nuovo, il che richiede denaro e tempo”.

La National Science Foundation del Governo statunitense spiega in modo molto dettagliato i requisiti di produzione delle batterie allo stato solido e le loro differenze rispetto alle batterie agli ioni di litio. In poche parole, la produzione di batterie richiede tre processi principali:

1. Produzione di elettrodi
2. Produzione di celle
3. Condizionamento delle celle

Questi processi e la relativa catena di fornitura sono fortemente ottimizzati per la produzione di batterie agli ioni di litio. Ora la sfida consiste nel riconfigurare il sito per le batterie allo stato solido. Questo passaggio è simile alla transizione dall’inchiostro alla stampa laser o alla sostituzione dei fili di rame con i cavi in fibra ottica. 

Sfruttare gli impianti esistenti serve

Factorial sta provando a incorporare i suoi processi proprietari e riprendendo alcune delle tecniche collaudate utilizzate per produrre batterie agli ioni di litio.

L’anno scorso ha inaugurato a Methuen, nel Massachusetts, quella che viene definita la più grande linea di produzione di batterie allo stato solido degli Stati Uniti. La linea da 200 megawattora sembra piccola se paragonata ai giganteschi impianti di batterie che stanno sorgendo negli Stati Uniti con una capacità di centinaia di gigawattora. Ma la linea di Factorial è comunque una grande pietra miliare.

Ha già inviato un “campione B” a Mercedes per i test, affermando di essere la prima azienda produttrice di batterie a inviare un campione di una batteria interamente allo stato solido a una Casa auto globale. Il termine “campione B” si riferisce a un prototipo quasi di produzione di una batteria. Viene utilizzato per test più avanzati, come la convalida delle prestazioni, la valutazione della sicurezza e l’integrazione nei veicoli elettrici.

La ricerca dell’affidabilità

Anche costruire queste celle senza difetti in una catena di montaggio è una sfida. “Siamo in grado di ottenere un rendimento dell’85% per la linea pilota – ha detto Huang, riferendosi alla percentuale di celle prodotte che soddisfano gli standard di qualità e sono considerate utilizzabili -. Di solito, in una grande linea di produzione, è necessario avere una resa superiore al 95%“.

Le celle Solstice da 40 Ah utilizzano anche un nuovo processo di produzione chiamato rivestimento a secco del catodo, un processo che Tesla starebbe esplorando per le sue celle di prossima generazione.

Secondo l’Oak Ridge National Laboratory, gli elettrodi delle batterie agli ioni di litio tradizionali utilizzano un impasto umido che è costoso, dannoso per l’ambiente e occupa molto spazio in fabbrica. Il processo a secco elimina questo impasto tossico mescolando “polveri secche con un legante”, in modo da tagliare i costi, ridurre il consumo di energia e ridurre l’impatto ambientale della produzione di batterie.

Oltre 1.000 km di autonomia

Ma quanti km si faranno con le batterie allo stato solido? Factorial sostiene che le sue batterie ad alta densità energetica possono garantire un’autonomia di oltre 1.000 km. Si tratta di più del doppio dell’autonomia media di guida prevista dall’EPA negli Stati Uniti, che secondo il Dipartimento dell’Energia è di 455 km. Questo dato è di per sé un’impresa, perché è triplicato nell’ultimo decennio. Factorial dichiara inoltre temperature di esercizio superiori a 90 gradi Celsius e una riduzione di peso del 40% rispetto alle batterie tradizionali.

Foto di: InsideEVs

Però non sono ancora arrivate sul mercato. Invece le batterie allo stato semisolido sono già realtà. L’anno scorso, una NIO ET7 ha mostrato il potenziale del suo pacco batteria allo stato semisolido da 150 chilowattora. Questi accumulatori arriveranno presto in occidente. Con NIO e non solo. Stellantis ha promesso di lanciare l’anno prossimo una flotta dimostrativa di Dodge Charger Daytona con batterie allo stato quasi solido prodotte proprio da Factorial. Si sostiene che abbiano una densità energetica di 390 Wh/kg, molto più alta degli attuali standard industriali di circa 250-300 Wh/kg.