La svolta 4D STEM di Mizzou: migliorare l'efficienza delle batterie allo stato solido

Le batterie allo stato solido sono al centro dell'attenzione in questi giorni. Stanno guadagnando costantemente terreno con l'elettronica di consumo e i veicoli elettrici, costituendo la quota maggiore del mercato globale delle batterie allo stato solido nel 2022.

I ricercatori stimano che le applicazioni delle batterie allo stato solido nel settore dei veicoli elettrici cresceranno in modo esponenziale nel prossimo decennio, raggiungendo una dimensione di mercato pari a US $ 4.3 miliardi di 2032Ci sono ragioni per cui le batterie allo stato solido sono in bilico per una crescita esponenziale. In sostanza, si riferiscono a una tecnologia di batterie che utilizza un elettrolita solido anziché elettroliti liquidi, come quelli utilizzati nella tecnologia agli ioni di litio. 

Le celle allo stato solido sono costituite da un catodo, un separatore e un anodo. Il catodo potrebbe essere fatto con gli stessi composti di una batteria agli ioni di litio. Al contrario, il separatore è generalmente fatto di ceramica o polimero solido, che funziona anche come elettrolita. L'anodo è fatto di litio metallico. 

Una volta caricate, le particelle di litio all'interno di queste batterie si muovono dal catodo attraverso la struttura atomica del separatore e il contatto elettrico dell'anodo, formando uno strato solido di litio puro. Il processo garantisce che l'anodo sia costituito esclusivamente da particelle di litio e abbia un volume inferiore rispetto a un anodo con tecnologia agli ioni di litio e struttura in grafite. 

Sebbene queste batterie sono ancora nella loro fase di sviluppo, promettono molteplici miglioramenti rispetto alle batterie attuali, tra cui una maggiore densità energetica, una durata maggiore, una maggiore sicurezza e dimensioni più piccole. Le promettenti prospettive offerte dalle batterie allo stato solido le hanno rese uno spazio attraente per gli scienziati da esplorare ulteriormente e vedere cosa potrebbe essere fatto con esso.

Un recente comunicato stampa su una ricerca dell'Università del Minnesota afferma che i ricercatori sono "decifrare il codice delle batterie allo stato solido.” Nei prossimi segmenti, esamineremo le ragioni che guidano questa affermazione ambiziosa. 

Cosa hanno realizzato i ricercatori dell'Università del Minnesota

La ricerca, intitolata Understanding Formazione dell'interfase catodo-elettrolita nelle batterie agli ioni di litio allo stato solido tramite 4D-STEM¹, dimostra un flusso di lavoro semplice per studiare la formazione dell'interfase catodo-elettrolita (CEI) utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione 4D (4D-STEM) che non richiede l'assemblaggio SS-LIB.

Nei punti di contatto tra l'elettrolita solido e il materiale attivo del catodo nelle batterie agli ioni di litio allo stato solido, si formano strati interfase, aumentando l'impedenza della cella. I ricercatori eliminano la necessità di assemblaggio SS-LIB e mostrano i vantaggi di MoCl5:EtOH come agente di delitiazione chimica, insieme alla polvere di LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) del catodo chimicamente delitiata a contatto con la polvere SE Li10GeP2S12 (LGPS), come surrogato CEI SS-LIB.

I ricercatori hanno mappato la composizione e la struttura degli strati CEI utilizzando 4D-STEM, spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) e analisi della funzione di distribuzione delle coppie di elettroni (ePDF). I loro risultati suggeriscono che i rivestimenti che bloccano il trasporto di anioni consentendo al contempo il trasporto di ioni di litio ed elettroni possono impedire la formazione di interfase e ridurre l'impedenza negli SS-LIB. 

Descrivendo la natura del rivestimento, Young ha affermato:

"I rivestimenti devono essere sufficientemente sottili da impedire reazioni, ma non così spessi da bloccare il flusso di ioni di litio. Puntiamo a mantenere le caratteristiche ad alte prestazioni dei materiali dell'elettrolita solido e del catodo. Il nostro obiettivo è utilizzare questi materiali insieme senza sacrificare le loro prestazioni per la compatibilità".

Tutto ciò può sembrare troppo tecnico, ma esiste una prospettiva più semplice da comprendere per quanto riguarda il risultato della ricerca.

Clicca qui per scoprire la svolta nel campo delle batterie che avvicina le varianti allo stato solido alla realtà.

Come affrontare il problema dell'elettrolita liquido

Le batterie agli ioni di litio si basano su elettroliti liquidi, che possono incendiarsi se danneggiati o surriscaldati. I ricercatori dell'Università del Missouri hanno affrontato questo problema sviluppando tecniche efficienti per sostituire elettroliti liquidi o in gel con elettroliti solidi.

Spiegando nel dettaglio il funzionamento della loro soluzione, il professore associato Matthias Young, che ricopre incarichi congiunti presso la Facoltà di Ingegneria e la Facoltà di Arti e Scienze della Mizzou, ha dichiarato quanto segue:

"Quando l'elettrolita solido tocca il catodo, reagisce e forma uno strato interfase spesso circa 100 nanometri, 1,000 volte più piccolo della larghezza di un singolo capello umano. Questo strato impedisce agli ioni e agli elettroni di litio di muoversi facilmente, aumentando la resistenza e compromettendo le prestazioni della batteria."

La svolta più significativa

Il risultato più significativo del team di ricerca, tuttavia, è stato l'utilizzo della microscopia elettronica a trasmissione a scansione quadridimensionale (4D STEM). Ciò che ha reso questa tecnologia rivoluzionaria è stata la possibilità di esaminare la struttura atomica della batteria senza smontarla, consentendo di acquisire una comprensione fondamentale delle reazioni chimiche al suo interno e di determinare l'entità del danno causato dallo strato interfase. 

Dal punto di vista dei potenziali utilizzatori di queste batterie, la ricerca e le sue implicazioni presentano un grande potenziale. 

Benefici attesi nel mondo reale

Le case automobilistiche globali sono entusiaste delle batterie allo stato solido perché offriranno maggiore sicurezza e stabilità termica. La ricerca di cui abbiamo appena discusso è una svolta in quella direzione, un passo avanti immensamente significativo. Inoltre, la ricerca potrebbe portare a miglioramenti nella sicurezza, nelle prestazioni, nella durata delle batterie, nei costi e nel loro impatto ambientale. 

Gli scienziati delle batterie di tutto il mondo sono ottimisti sul fatto che la nuova generazione di batterie allo stato solido, quelle che emergeranno come risultato di ricerche come queste, alla fine supererà due svantaggi chiave delle batterie agli ioni di litio convenzionali. I catodi ricchi di nichel consentiranno all'industria delle batterie di utilizzare meno cobalto nel catodo. In secondo luogo, le chimiche allo stato solido consentiranno ai produttori di batterie di utilizzare il litio metallico nell'anodo.

Il primo fattore è cruciale per la crescita di questo settore perché il cobalto è scarso, costoso e difficile da estrarre. Proviene da paesi con leggi minerarie deboli. I ricercatori ritengono che l'ambito di utilizzo del litio nell'anodo sia significativo perché aumenta la densità energetica e promuove la sicurezza.

Parlando dell'uso del litio metallico, Elena Braga, professore associato di fisica ingegneristica presso l'Università di Porto in Portogallo e noto ricercatore che ha lavorato con Premio Nobel vincitore John Goodenough sulle batterie allo stato solido un decennio fa, ha affermato:

"Questo è il motivo per cui abbiamo iniziato questo viaggio (allo stato solido) in primo luogo: così potevamo usare il litio metallico".

Nel complesso, questa tecnologia e questa tecnica basata sulla ricerca possono portare a progetti di batterie migliorati, con prestazioni e sicurezza migliorate, con un potenziale impatto sull'elettronica di consumo e sui veicoli elettrici entro 3-7 anni.

Tuttavia, il valore reale di tale ricerca dipenderebbe dal successo con cui le aziende e le attività che producono batterie allo stato solido le adotteranno e le porteranno su scala. Nel segmento seguente, discuteremo di una di queste aziende, Solid Power, Inc. (SLDP ), specializzata nella tecnologia delle batterie allo stato solido, focalizzata su soluzioni di accumulo di energia più sicure ed efficienti.

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power si posiziona come fornitore di tecnologia delle celle della batteria completamente allo stato solido che offre miglioramenti fondamentali rispetto all'attuale tecnologia convenzionale agli ioni di litio a base liquida e alle celle ibride di nuova generazione, tra cui elevata energia, maggiore sicurezza, maggiore durata e risparmio sui costi. 

Le batterie Solid Power consentono l'utilizzo di elettrodi ad alta capacità, come quelli ad alto contenuto di silicio e litio metallico, per ottenere prestazioni ad alta energia. Il sistema diventa più sicuro eliminando la necessità di componenti liquidi e gel reattivi e volatili. Di conseguenza, può resistere e fornire prestazioni a temperature estremamente elevate. L'azienda ritiene che le sue batterie possano offrire un vantaggio in termini di costi del 15-35% rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio a livello di pacco batteria. 

Nei prossimi paragrafi parleremo delle tre tipologie di batterie allo stato solido di Solid Power. 

Cella EV in silicio 

Queste celle sono dotate di un anodo in silicio ad alto contenuto che fornisce elevate velocità di carica e capacità di temperatura più basse. Queste batterie sono alimentati dagli elettroliti solidi a base di solfuro brevettati dall'azienda. Infine, il suo catodo NMC è standard industriale e commercialmente maturo. 

litio metallo

Le batterie al litio metallico Solid Power sono dotate di litio metallico e anodo ad alta energia. Questa categoria di batterie è anche alimentato dagli elettroliti solidi a base di solfuro brevettati da Solid Power e dai catodi NMC standard del settore e commercialmente maturi. 

Cella di reazione di conversione 

Infine, arriviamo alla categoria delle celle di reazione di conversione, ovvero delle batterie dotate di un anodo al litio metallico ad alta energia, di elettroliti solidi a base di solfuro a bassissimo costo e di un catodo ad alta conversione energetica specifica. 

La tecnologia delle batterie Solid Power si basa su elettroliti solidi a base di solfuro, uno dei suoi fondamenti più solidi. Questa tecnologia garantisce la completa rimozione dell'elettrolita liquido infiammabile e dello strato separatore polimerico in una batteria agli ioni di litio tradizionale. e sostituisce con uno strato solido che, pur essendo sottile, funge da barriera per impedire che l'anodo e il catodo si tocchino tra loro, il che causerebbe un cortocircuito alla batteria. Agisce anche come elettrolita conduttivo. L'elettrolita solido a base di solfuro di Solid Power è dotato della migliore combinazione di conduttività, producibilità e prestazioni a livello di cella. 

La tecnologia di base di Solid Power basata su elettroliti solidi a base di solfuro utilizza materiali abbondanti sulla Terra. L'azienda prevede di aumentare la produzione di elettroliti fino ad alimentare 800,000 veicoli elettrici all'anno tramite le sue celle per batterie allo stato solido entro il 2028.

SLDP: Ultimi aggiornamenti

Nel dicembre 2024, Solid Power ha annunciato l' estensione della partnership con Ford fino al 2025Il terzo emendamento all'accordo di sviluppo congiunto riflette l'impegno costante tra Solid Power e Ford a spingere in avanti i confini delle prestazioni delle batterie per veicoli elettrici. 

I rapporti hanno citato l'estensione della partnership come un passo significativo per il lavoro di Solid Power verso la commercializzazione della sua tecnologia di batterie allo stato solido. L'estensione della partnership con Ford, una delle principali case automobilistiche mondiali, ha sottolineato il potenziale impatto della tecnologia di Solid Power sull'industria automobilistica.

Nel gennaio 2025 la società ha stipulato un importante accordo finanziario con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). La società ha annunciato di essersi assicurata fino a 50 milioni di dollari di finanziamenti per potenziare le sue capacità di produzione di materiale elettrolitico solido a base di solfuro, essenziale per le batterie di prossima generazione.

Il finanziamento è arrivato come parte di un Accordo di assistenza con data di entrata in vigore il 1° gennaio 2025, che ha stabilito che Solid Power avrebbe contribuito con 60 milioni di dollari dei suoi fondi come parte dell'accordo di condivisione dei costi. L'investimento era mirato a supportare l'installazione delle attrezzature necessarie alla produzione continua, che è prevista per rafforzare la scala produttiva dell'azienda.

Come parte dell'accordo, Solid Power era richiesto per aderire a specifici requisiti di rendicontazione e obblighi di conformità. Il supporto del Dipartimento dell'Energia ha sottolineato l'importanza di promuovere la tecnologia delle batterie per l'accumulo di energia e per i veicoli elettrici, settori fondamentali per la transizione verso un'economia a basse emissioni di carbonio.

La partnership dell'azienda con il Dipartimento dell'Energia ha rappresentato un passo strategico per accelerare la commercializzazione delle batterie allo stato solido, che promettevano una maggiore densità energetica, una maggiore sicurezza e una durata maggiore rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.

Sul fronte finanziario, Solid Power ha consegnato 20.1 milioni di dollari di fatturato nel 2024, un aumento di 2.7 milioni di $ rispetto al 2023. Le spese operative sono state di 125.5 milioni di $ nel 2024, in aumento rispetto ai 108.0 milioni di $ del 2023, guidate dall'aumento dei costi di ricerca e sviluppo per migliorare le prestazioni dei suoi progetti di elettroliti e celle, produzione di elettroliti, acquisti di apparecchiature a supporto degli accordi SK On e operazioni di ridimensionamento, inclusa l'istituzione di operazioni coreane. La perdita operativa per il 2024 è stata di 105.3 milioni di $, mentre la perdita netta è stata di 96.5 milioni di $, ovvero 0.54 $ per azione.

"Nel 2025, Solid Power continuerà a promuovere lo sviluppo della tecnologia ASSB migliorando le prestazioni degli elettroliti attraverso il feedback del nostro team di sviluppo delle celle, eseguendo i requisiti dei partner e le richieste dei clienti, continuando a innovare sia sulle tecnologie degli elettroliti che su quelle delle celle e mantenendo la disciplina finanziaria investendo strategicamente nello sviluppo e nelle capacità".

– John Van Scoter, Presidente e Amministratore Delegato di Solid Power

Batteria allo stato solido: uno sguardo al futuro

Il futuro delle batterie allo stato solido appare entusiasmante, ricco di potenziale di innovazione. Nel 2024, ad esempio, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) sviluppato una nuova batteria al litio metallico che potrebbe essere caricato e si è scaricata almeno 6,000 volte, più di qualsiasi altra batteria a sacchetto, e può essere ricaricata in pochi minuti.

Secondo Xin Li, professore associato di Scienza dei materiali presso SEAS e autore principale dell'articolo che ha descritto dettagliatamente la ricerca ed è stato pubblicato su Nature Materials:

“Batterie con anodo metallico al litio sono considerati il Santo Graal delle batterie perché hanno una capacità dieci volte superiore agli anodi di grafite commerciali e potrebbero aumentare drasticamente l'autonomia di guida dei veicoli elettrici."

Nella loro ricerca, Li e il suo team hanno fermato la formazione di dendriti utilizzando particelle di silicio di dimensioni micrometriche nell'anodo per restringere la reazione di litiazione e facilitare la placcatura omogenea di uno spesso strato di litio metallico. Quando gli ioni di litio si sono spostati dal catodo all'anodo durante la carica, la reazione di litiazione era ristretto sulla superficie superficiale e gli ioni si sono attaccati alla superficie della particella di silicio senza penetrare ulteriormente. 

"Nel nostro progetto, il litio metallico viene avvolto attorno alla particella di silicio, come un guscio di cioccolato duro attorno a un nucleo di nocciola in un tartufo di cioccolato."

– Li

Le particelle rivestite formavano una superficie omogenea, assicurando una distribuzione uniforme della densità di corrente e impedendo la crescita dei dendriti. E poiché la placcatura e la rimozione potevano avvenire rapidamente su una superficie uniforme, la batteria poteva ricaricarsi in soli 10 minuti circa. 

I ricercatori hanno sviluppato una versione della batteria con celle a sacchetto delle dimensioni di un francobollo, da 10 a 20 volte più grande della cella a bottone realizzata nella maggior parte dei laboratori universitari. La batteria ha mantenuto l'80% della sua capacità dopo 6,000 cicli, superando le prestazioni di altre batterie a celle a sacchetto appartenenti alla stessa categoria. Nel processo, i ricercatori hanno rivelato decine di altri materiali che potrebbero potenzialmente producono prestazioni simili. Secondo Li:

“Precedenti ricerche avevano scoperto che altri materiali, tra cui l’argento, potevano essere ottimi materiali per l’anodo delle batterie allo stato solido.”

Per rendere il processo universale, un team di ricercatori ha pubblicato un articolo su benchmarking della riproducibilità delle prestazioni delle celle delle batterie allo stato solido.² I ricercatori hanno osservato che la comparabilità interlaboratorio e la riproducibilità delle prestazioni di ciclaggio delle celle delle batterie allo stato solido erano poco comprese a causa della mancanza di configurazioni e parametri di assemblaggio standardizzati.

I ricercatori hanno suggerito un set di parametri per la segnalazione dei risultati del ciclo di batterie allo stato solido e hanno sostenuto la segnalazione dei dati in triplicato. Ad esempio, una tensione iniziale a circuito aperto di 2.5 e 2.7 V rispetto a Li+/Li era un buon predittore di un ciclo di successo per le celle che utilizzavano questi materiali elettroattivi.

La standardizzazione della produzione di batterie allo stato solido è fondamentale perché la sua usabilità è diversificata. Mentre i produttori di EV sono tra i più interessati a sviluppare batterie allo stato solido efficienti, anche I ricercatori della NASA hanno riferito di aver fatto progressi sviluppando un pacco batteria innovativo, più leggero, più sicuro e più performante rispetto alle batterie comunemente utilizzate oggi nei veicoli e nei grandi dispositivi elettronici. 

I ricercatori della NASA hanno sperimentato nuovi materiali innovativi che non era ancora stato utilizzato nelle batterie. Il team è stato il primo a rendersi conto che l'architettura allo stato solido consentiva loro di modificare la costruzione e l'imballaggio delle batterie, riducendo il peso e aumentando la capacità di accumulo di energia. Hanno dimostrato che le batterie allo stato solido potevano alimentare oggetti all'enorme capacità di 500 wattora per chilogrammo, il doppio di quella di un'auto elettrica.

“Questo design non solo elimina il 30-40 percento del peso della batteria, ma ci consente anche di raddoppiare o addirittura triplicare l'energia che può immagazzinare, superando di gran lunga le capacità delle batterie agli ioni di litio che sono considerati essere all'avanguardia."

– Rocco Viggiano, ricercatore principale di SABRES

SABERS è l'acronimo dell'attività designata dalla NASA, "Batterie ad architettura allo stato solido per una ricaricabilità e una sicurezza migliorate".

Come suggerisce il nome, il futuro delle batterie allo stato solido prospererebbe su questi aspetti di rapida ricaricabilità e sicurezza. I produttori cercheranno sempre di più di sviluppare batterie che si ricarichino più velocemente senza rendere il processo non sicuro.

Clicca qui per un elenco delle 5 migliori batterie allo stato solido.