Come la tecnologia delle batterie allo stato solido di Princeton potrebbe trasformare l'accumulo di energia

La batteria definitiva

Poiché le batterie sono diventate la base dei propulsori EV, le loro prestazioni e il loro profilo di sicurezza sono migliorati. Finora, questo è stato ottenuto con varianti di batterie al litio, sia agli ioni di litio (litio-nichel-manganese NMC e litio-nichel-cobalto-alluminio NCA) sia batterie al litio-ferro-fosfato (LFP). È stata una tecnologia trasformativa che giustamente ha fatto guadagnare ai suoi inventori il premio Nobel per la chimica 2019 (seguire il link per la storia dell'invenzione delle batterie agli ioni di litio).

Finora si pensava che queste batterie avrebbero continuato a dominare il mercato delle batterie, grazie alla loro elevatissima densità energetica.

Fonte: S&P Global

C'è, tuttavia, un limite a quanta energia possono contenere le classiche batterie agli ioni di litio. Ecco perché i ricercatori stanno esaminando altre opzioni, di cui una delle più probabili a dare i suoi frutti sono le batterie allo stato solido.

Si prevede che le batterie allo stato solido siano più sicure, più dense di energia e più durevoli delle tradizionali batterie agli ioni di litio. Tuttavia, sono molto difficili da produrre in modo affidabile su larga scala e in modo economicamente conveniente, il che ne ha rallentato l'adozione.

Questa situazione potrebbe cambiare e nuovi spunti sulle cause del fallimento delle batterie allo stato solido provengono dai ricercatori che lavorano presso la Princeton University, la Purdue University, l'Università del Michigan e il Brookhaven National Laboratory.

Hanno pubblicato le loro scoperte più recenti in due articoli scientifici in Advanced Energy Materials¹ e lettere energetiche ACS², rispettivamente, sotto i titoli “Cinetica del litio nell'interstrato poroso Ag-C nelle batterie allo stato solido senza serbatoio"E"Guasto indotto dal filamento nelle batterie allo stato solido senza serbatoio di litio".

Hanno anche analizzato lo stato attuale dell'arte della scienza delle batterie per quanto riguarda le batterie senza anodo e lo hanno pubblicato su Nature Materials³, sotto il titolo “Elettrochemiomeccanica delle batterie allo stato solido senza anodo".

Batteria allo stato solido senza anodo

L'idea delle batterie allo stato solido è quella di sostituire l'elettrolita liquido negli ioni di litio con uno strato di metallo solido. Questa è la principale fonte di guadagno di efficienza, poiché gli elettroliti sono pesanti e voluminosi.

Fonte: Università di Chicago

Ciò migliora anche il profilo di sicurezza, poiché i solventi elettrolitici sono solitamente infiammabili e possono causare rari ma spettacolari incendi delle batterie, che hanno creato una cattiva reputazione ai primi veicoli elettrici.

Un altro passaggio è stato esplorato di recente dai ricercatori, rimuovendo completamente metà della batteria. Le batterie sono costituite da un catodo e un anodo, ciascuno con una carica elettrica diversa.

Le batterie senza anodo rinunciano completamente alla necessità di un anodo,

"Invece, gli ioni fluiscono dal catodo positivo direttamente al collettore di corrente all'estremità opposta della batteria. Gli ioni si placcano quindi sul collettore di corrente stesso, formando un sottile strato di metallo mentre la batteria si carica."

Fonte: Università di Princeton

Nella loro analisi dell'attuale tecnologia senza anodi, i ricercatori di Princeton sostengono che il problema principale per far progredire ulteriormente la tecnologia è la scarsa comprensione dell'effetto meccanico del ciclo di carica-scarica, più che delle reazioni chimiche.

I meccanismi che regolano il ciclo di carica-scarica delle batterie senza anodo sono ampiamente controllati da fenomeni elettro-chemo-meccanici alle interfacce solido-solido e ci sono importanti differenze meccanicistiche rispetto alle batterie convenzionali al litio in eccesso.

 Sfide dello stato solido

In una batteria classica, la connessione agli elettrodi (anodo e catodo) è relativamente semplice, poiché l'elettrolita è in forma liquida. In una batteria allo stato solido, il metallo solido deve rimanere perfettamente in contatto con il collettore di corrente.

Se questo non è perfettamente uniforme, le aree con un buon contatto diventano punti caldi, mentre le aree con un contatto scarso formano vuoti.

Per capire perché ciò accade, i ricercatori devono avere una perfetta comprensione del complesso processo che avviene durante la carica e la scarica della batteria. Questo non è solo un fenomeno chimico, ma anche meccanico, con il materiale che cambia leggermente forma nel tempo.

Nel primo articolohanno scoperto che la pressione può svolgere un ruolo importante nel modo in cui reagisce il metallo allo stato solido.

Problemi di bassa pressione

La microscopia elettronica a scansione rivela come il litio abbia un contatto superficiale crescente all'aumentare della pressione. Ciò significa che una pressione troppo bassa non è sufficiente a migliorare il contatto irregolare causato da quelle irregolarità superficiali.

Fonte: Pubblicazione dell'ACS

Infine, la placcatura irregolare portava alla formazione di filamenti metallici affilati che, come minuscoli aghi, potevano perforare l'elettrolita solido e causare un cortocircuito nella batteria.

Problemi di alta pressione

Sebbene l'alta pressione possa creare una placcatura e una decapatura uniformi, non si tratta di una soluzione magica.

I ricercatori hanno scoperto che l'elettrolita e il collettore di corrente venivano forzati l'uno contro l'altro in modo così intenso che qualsiasi imperfezione su entrambi veniva amplificata fino al punto che lo stress meccanico provocava la formazione di fratture.

Fonte: Pubblicazione dell'ACS

Utilizzando la tomografia a raggi X, i ricercatori sono riusciti a mappare queste crepe che si formano sotto l'effetto di un'elevata pressione.

Man mano che la pressione dello stack aumenta da 2 a 10 MPa, l'intero volume di cracking aumenta. Molte crack si estendono fino al lato del controelettrodo (Figure 3b–e e S10) e un singolo dendrite di litio che raggiunge il controelettrodo può causare un cortocircuito.

Fonte: Pubblicazione dell'ACS

Nel complesso, l'obiettivo finale dell'industria delle batterie sarà trovare il punto ottimale tra una pressione sufficientemente bassa e un contatto efficiente.

"Il Santo Graal in quest'area sarà capire come mantenere un contatto solido a basse pressioni, poiché produrre un elettrolita privo di difetti è praticamente impossibile. Se vogliamo realizzare il potenziale di queste batterie, dobbiamo risolvere il problema del contatto".

prof. Kelsey Hatzell – Professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale

Migliore placcatura

Ottenere una placcatura più uniforme è l'argomento di il secondo documento pubblicato dal team del Prof. Hatzell e dai suoi collaboratori in altre università e laboratori.

Hanno scoperto che uno strato sottile di rivestimento tra il collettore di corrente e l'elettrolita facilita un migliore trasporto di ioni. Hanno testato diversi progetti per questo rivestimento.

Alla fine, hanno scoperto che l'opzione migliore erano gli interstrati realizzati con nanoparticelle di carbonio e argento. L'argento in questi interstrati formava leghe con ioni durante la carica e la scarica della batteria, consentendo una placcatura e una rimozione uniformi dal collettore di corrente.

Tuttavia, i dettagli di come vengono prodotte le particelle d'argento sono molto importanti. Quando si utilizzano nanoparticelle più grandi di 200 nm (nanometri), esse formano strutture metalliche sottili e irregolari sul collettore di corrente. Ciò riduce la capacità e l'eventuale guasto della batteria nel corso di diversi cicli di carica.

Fonte: Materiali energetici avanzati

"Solo pochi gruppi hanno studiato i processi effettivi che si verificano in questi interstrati. Tra le altre scoperte, abbiamo dimostrato che la stabilità di questi sistemi è legata alla morfologia del metallo mentre si placca e si spoglia dal collettore di corrente."

Parco Se Hwan - Pricercatore osteologo all'Università di Princeton

Le particelle d'argento da 50 nm hanno avuto prestazioni decisamente migliori, creando strutture più dense e uniformi, dando vita a batterie con maggiore stabilità e maggiore potenza in uscita.

“Questi risultati possono orientare la strategia per la fabbricazione di questi interstrati.

Riducendo le dimensioni delle particelle d'argento, possiamo essere certi di ottenere solo i vantaggi dell'argento nell'interstrato, il che, a sua volta, potrebbe consentirci di ottenere un buon contatto e una placcatura uniforme anche a basse pressioni".

Parco Se Hwan - Pricercatore osteologo all'Università di Princeton

Costruire batterie allo stato solido migliori

Per molto tempo, il concetto di batteria allo stato solido ha fatto fatica a uscire dai laboratori e ad arrivare in fabbrica, con una produzione su larga scala.

Ora la situazione sta cambiando: paesi come Cina, Giappone e Corea del Sud hanno in programma a breve termine di immettere sul mercato batterie allo stato solido.

Per esempio:

• Adattatore Samsung SDI (006400.KS) ha promesso di iniziare la produzione in serie di batterie allo stato solido entro il 2027
• (Italiano)HYMTF) sta cercando in produzione di massa entro il 2030
• Toyota (TM ) ha un obiettivo di produzione di massa di 2028, aggiornando il precedente obiettivo del 2030.

 "La sfida sarà passare dalla ricerca al mondo reale in pochi anni. Speriamo che il lavoro che stiamo facendo ora a MUSICA (Comprensione meccano-chimica dei conduttori ionici solidi) può supportare lo sviluppo e l'implementazione di queste batterie di nuova generazione su una scala significativamente ampia".

prof. Kelsey Hatzell – Professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale]

Investire in tecnologie avanzate per le batterie

Le batterie sono al centro della tendenza dell’elettrificazione, di per sé un importante sforzo multimiliardario volto a rimuovere i combustibili fossili dalle nostre fonti di energia.

Puoi investire in società legate alle batterie tramite molti broker e puoi trovarle qui su titoli.io, i nostri consigli per i migliori broker in Gli stati uniti, Canada, Australia, Regno Unito, così come molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere società specifiche di batterie, puoi anche esaminare gli ETF sulle batterie come ETF Amplify Lithium & Battery Technology (BATT), X globali ETF su litio e tecnologia delle batterie (LIT)o WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, che fornirà un’esposizione più diversificata per trarre vantaggio dal crescente settore delle batterie.

Società di batterie allo stato solido

QuantumScape

Sin dalla sua fondazione nel 2010, la californiana Quantum Scape è stata una startup di spicco nel settore delle batterie allo stato solido, distinguendosi per il suo ingresso tempestivo nel settore e per la sua indipendenza dai grandi produttori di batterie che perseguono anch'essi la tecnologia allo stato solido, come CATL (300750.SZ), Samsung o LG Energy Solution (373220.KS).

Fonte: QuantumScape

Una caratteristica unica delle batterie QuantumScape, che all'epoca era considerata rivoluzionaria, è l'uso di un design senza anodo. Consente una carica rapida di circa 15 minuti (10-80% a 45 ºC) e il separatore è non infiammabile e non combustibile.

Fonte: QuantumScape

Ciò pone le batterie QuantumScape in una categoria a sé stante anche in termini di densità energetica e velocità di ricarica, superando di gran lunga leader come Tesla (sia quelle progettate da lei stessa che quelle prodotte da CATL).

Fonte: QuantumScape

Tuttavia, queste performance notevoli sono state regolarmente ostacolate dalla lotta per aumentare la produzione. Ha anche costretto l'azienda a bruciare la sua riserva di denaro, portando alla diluizione degli investitori precedenti e al calo dei prezzi delle azioni.

Sembra che le cose stiano cambiando, dal momento che l'accordo del 2024 con PowerCo, la divisione batterie del Gruppo Volkswagen, per un accordo di licenza per la progettazione e la produzione in serie delle batterie QuantumScape da parte di PowerCo.

Grazie all'accordo di licenza non esclusiva, PowerCo potrà produrre fino a 40 gigawattora all'anno di batterie per veicoli elettrici, con l'opzione di aumentare la produzione fino a 80 GWh all'anno.

L'improvviso aumento della produzione di QuantumScape sembra essere collegato a Cobra, l'azienda apparecchiature di separazione delle batterie allo stato solido di nuova generazione, una svolta nella produzione della ceramica.

Nel complesso, Cobra dovrebbe entrare in produzione nel 2025 e il primo veicolo elettrico finito che utilizzerà le batterie QuantumScape dovrebbe essere prodotto nel 2026.

Fonte: QuantumScape

Potrebbe rappresentare un punto di svolta per l'azienda, che 16 anni dopo la sua fondazione si è trasformata da una promettente startup con una proprietà intellettuale interessante a una società che genera ricavi crescenti grazie alla partnership con una delle più grandi case automobilistiche al mondo.

Nel frattempo, gli investitori devono aspettarsi ancora una certa volatilità nel prezzo delle azioni, ma si intravede una luce alla fine del tunnel dello sviluppo del prodotto.

Ultime notizie su QuantumScape

Riferimento di studio:

^{1. Parco Se Hwan, e altri (2025) Guasto indotto dal filamento nelle batterie allo stato solido senza serbatoio di litio. ACS Energy Letters. 22 Febbraio 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004} 

^{2. Parco Se Hwan, e altri (2024). Cinetica del litio nell'interstrato poroso Ag-C nelle batterie allo stato solido senza serbatoio. Materiale energetico avanzato. 19 dicembre 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129} 

^{3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Elettrochemiomeccanica delle batterie allo stato solido senza anodo. Nature Materials. 02 gennaio 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z}