Batterie allo stato solido: cosa sono, come funzionano e quali vantaggi hanno rispetto al litio

Le auto elettriche con batterie allo stato solido e al litio nascono dall’esigenza di traghettare gli automobilisti verso una nuova era, dove in primo piano c’è l’ambiente e lo sviluppo di una mobilità sostenibile e intelligente. Per limitare l’inquinamento atmosferico occorre modificare le abitudini negli spostamenti, se è vero che i moderni veicoli inquinano sempre meno, per azzerare completamente le emissioni di CO2 bisogna convertire i tradizionali motori benzina e diesel.

Le auto elettriche moderne pur se dotate di motori sempre più potenti ed efficienti e di un’autonomia che, grazie alla presenza di batterie al litio dalla grande capacità, è paragonabile a quelle delle “normali” auto endotermiche, hanno ancora grossi limiti che ne impediscono una diffusione capillare. In fase di studio ci sono le nuove batterie allo stato solido e non solo.

Nell’acquisto di un’auto elettrica sono presi in considerazione:

• prezzo d’acquisto;
• autonomia;
• tempi di ricarica.

Auto elettriche con batteria al litio: come funzionano?

Una cella di una batteria agli ioni di litio è composta da tre strati principali:

• un elettrodo positivo (catodo);
• un elettrodo negativo (anodo);
• uno strato polimerico microporoso.

Ogni cella è annegata in un composto liquido chimico che funge da elettrolita, in genere viene utilizzato del sale di litio mixato con solventi organici, soluzione questa che consente agli ioni di litio di muoversi e di trasportare corrente elettrica.

Il catodo è composto da particelle di litio che contengono una miscela di ossidi di metallo che ha il compito di trattenere gli ioni di litio quando la cella è scarica.

Quando si effettua una ricarica, la cella viene caricata applicando una tensione agli elettrodi: delle particelle in grado d’immagazzinare energia lasciano il catodo utilizzando l’elettrolita come strada per spostarsi verso la cella che contiene l’anodo, quest’ultimo è composto in genere da grafite.

Questo spostamento causa l’ossidazione del catodo e la riduzione di grafite nell’anodo.

Nel processo di scarica, gli ioni di litio fanno un percorso inverso, dall’anodo ritornano verso il catodo usando sempre l’elettrolita come strada, in questo caso si parla di reazione di ossidoriduzione, un processo che abbassa il potenziale chimico di una cella spostando gli elettroni verso un circuito di carica esterna a cui è collegata la batteria.

Il processo di carica e di scarica aumenta la temperatura delle batterie agli ioni di litio, la reazione chimica, assorbe calore nel processo di carica della cella, e produce calore nella fase di scarica.

Per evitare di arrivare a questa spiacevole conseguenza, oltre al mantenimento della temperatura costante del pacco batterie, si tende a limitare la velocità di ricarica, evitando così l’eccessiva produzione di calore.

La temperatura di esercizio ideale per la batteria al litio di un’auto elettrica è di 25 - 30 gradi, durante la fase di ricarica un’efficiente gestione termica consente di non superare i 45 gradi, mentre durante la fase di scarica il limite è di 60 gradi.
Soglie che se raggiunte potrebbero compromettere il funzionamento, innestando delle reazioni chimiche incontrollabili.

Batteria allo stato solido: funzionamento e vantaggi rispetto al litio

Una strada alternativa, in grado di aumentare l’autonomia delle auto elettriche e di ridurre i tempi di ricarica sarebbe quella di utilizzare delle batterie allo stato solido che differiscono da quelle agli ioni di litio per la presenza all’interno della cella di elementi solidi anziché liquidi.

Nelle tradizionali batterie agli ioni di litio, l’elettrolita è in genere un gel di solventi organici (forma liquida), in quelle allo stato solido l’elettrolita è solido.

Un elettrolita allo stato solido è composto in genere da:

• ossidi;
• solfuri;
• fosfati;
• poliesteri;
• polieteri;
• poliuretano;
• polisilossano.

La cella di una batteria allo stato solido è fatta principalmente di due elementi:

• elettrodo positivo (catodo);
• particelle solide dell’elettrolita che fungono anche da separatore ceramico.

A differenza delle batterie agli ioni di litio manca completamente l’anodo in grafite, le particelle di litio caricandosi lasciano il catodo, oltrepassano il separatore, e si depositano tra il separatore e il contatto elettrico dell’anodo, in tal modo il processo continuo di ricarica genera uno strato solido di litio metallico.

L’anodo essendo composto solo da particelle di litio metallico è meno voluminoso, più compatto e conseguentemente in grado di avere a parità di volume della cella, rispetto a una batteria tradizionale agli ioni di litio, una maggiore densità energetica.

La formazione di litio metallico consente di ridurre drasticamente il peso e il volume della batteria allo stato solido.

Riassumendo, i vantaggi nell’utilizzo di una batteria allo stato solido:

• temperatura ridotta, facilmente controllabile anche facendo ricorso a soluzioni e sistemi meno costosi rispetto a quelli impiegati per le batterie al litio;
• maggiore densità energetica, maggiore autonomia;
• ricariche più veloci: tempi di attesa alle colonnine elettriche dimezzati per effetto della capacità d’immagazzinare molti più kWh;
• scarsa infiammabilità.

Batterie allo stato solido: limiti

Se i vantaggi nell’utilizzo, sulle auto elettriche di futura generazione, di una batteria allo stato solido sono evidenti, ci sono anche dei limiti da superare, difficoltà dettate principalmente dal controllo del volume in fase di carica ma anche nel costo, la struttura a gel richiede l’utilizzo di reagenti che attualmente hanno ancora prezzi elevati da permetterne una rapida diffusione.