Le batterie allo stato solido al sodio e all'idrogeno sfidano il litio

Andare oltre gli ioni di litio

Con l'elettrificazione di tutte le forme di trasporto, a partire dalle automobili, e presto anche camion, navi e forse persino aerei, l'accumulo di energia tramite batterie è diventato chiave tecnologia del decennio.

Inizialmente era dominata dalla tecnologia agli ioni di litio, grazie all'esperienza nella sua produzione per piccoli dispositivi elettronici e alle proprietà elettriche intrinseche del litio.

Tuttavia, la tecnologia agli ioni di litio presenta alcuni problemi chiave che potrebbero limitarne l'adozione:

• È più costoso e più raro di altri metalli, il che ne limita potenzialmente l'applicazione alle batterie ad altissima densità o ai prodotti di fascia alta.
• Tende a formare dendriti metallici che possono causare guasti catastrofici e incendi della batteria.
• Funziona male a temperature gelide, il che lo rende inadatto ai climi freddi e allo stoccaggio fisso nelle regioni fredde.

Per tutti questi motivi, scienziati e produttori di batterie hanno esplorato soluzioni chimiche alternative. Una di queste prevede l'utilizzo del sodio, uno dei componenti del sale marino, estremamente abbondante ed economico.

Le batterie agli ioni di sodio stanno presto raggiungendo la fase di produzione di massa, con l'azienda CATL (300750.SZ) guidando la carica in quel campo.

"Non è una questione di sodio contro litio. Abbiamo bisogno di entrambi. Quando pensiamo alle soluzioni di accumulo energetico di domani, dovremmo immaginare che la stessa giga-fabbrica possa produrre prodotti basati sia su composti chimici del litio che del sodio".

Shirley Meng- Professore di ingegneria molecolare presso l'Università di Chicago, PME. 

Tuttavia, si prevede che sia le batterie agli ioni di litio che quelle agli ioni di sodio rappresentino un trampolino di lancio verso una tecnologia delle batterie superiore: batterie allo stato solido.

Inizialmente focalizzata sul litio, la tecnologia allo stato solido si sta ora espandendo verso nuove direzioni. Ad esempio, abbiamo discusso in precedenza la possibilità di una batteria allo stato solido senza anodo basata sul sodio.

Un nuovo studio ha rivelato che una forma metastabile di elettrolita solido di sodio potrebbe essere utilizzata per creare batterie al sodio allo stato solido che non solo hanno una maggiore densità energetica, ma mantengono anche le prestazioni anche a temperature inferiori allo zero.

Questo lavoro è stato svolto da scienziati dell'Università della California, dell'Università di Chicago e della National Taiwan University of Science and Technology ed è stato pubblicato sulla rivista Joule.¹ sotto il titolo "Closo-idridroborati di sodio metastabili per batterie allo stato solido con catodi spessi".

Sfide degli elettroliti allo stato solido

In una batteria "normale", il catodo e l'anodo sono separati da un elettrolita liquido. Questo elettrolita è molto utile, ma anche molto pesante, ed è la principale causa di incendio nelle batterie difettose.

Ecco perché sostituirlo con uno strato di materiale solido rende la batteria non solo molto più densa, ma anche più sicura. Tuttavia, mantenere questo elettrolita solido stabile e non gonfiarsi durante la carica o la scarica della batteria (causando crepe) è sempre stato un problema.

Gli elettroliti solidi di sodio presentano un ulteriore problema, poiché presentano una conduttività ionica limitata a temperatura ambiente.

Un'alternativa potrebbe essere l'utilizzo di un materiale come l'idridobrato di sodio, noto per avere un'elevatissima conduttività ionica. Ma per questo, la sua forma metastabile deve essere mantenuta in una batteria su larga scala.

“Questa struttura metastabile dell'idridobrato di sodio ha una conduttività ionica molto elevata, almeno un ordine di grandezza superiore a quella riportata in letteratura e da tre a quattro ordini di grandezza superiore al precursore stesso.”

Shirley Meng- Professore di ingegneria molecolare presso l'Università di Chicago, PME. 

Elettroliti stabilizzanti allo stato solido di sodio

Quando si produce una batteria con idridoborato di sodio, il materiale tende a muoversi verso una struttura stabile durante il raffreddamento, separando le molecole di NaBH4 dalle molecole di Na2B12H12.

Ad alta temperatura esiste una forma metastabile, che mescola i due cristalli, consentendo un movimento molto più rapido del sodio nella batteria, con conseguente maggiore capacità elettrica.

Fonte: Joule

Raffreddando rapidamente il materiale in una forma metastabile, il cristallo mantiene la sua struttura, invece di tornare a una forma stabile. Questo tipo di raffreddamento rapido, chiamato anche tempra, è un metodo fondamentale utilizzato nella produzione, in particolare nella metallurgia per l'acciaio e altri metalli.

Fonte: Joule

Tecnica nota per la scalabilità

Era già noto che per stabilizzare una struttura chimica, il quenching (raffreddamento rapido) è spesso un metodo utile. Tuttavia, questo non era mai stato dimostrato finora in un elettrolita allo stato solido.

Il fatto che questa sia una pratica comunemente accettata potrebbe contribuire notevolmente a rendere questa tecnica scalabile e adottata dai produttori di batterie.

"Dato che questa tecnica è consolidata, saremo in grado di espanderla ulteriormente in futuro.

Se si propone qualcosa di nuovo o se c'è la necessità di cambiare o stabilire dei processi, allora l'industria sarà più riluttante ad accettarlo."

SamOh - A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore.

Elettrodo spesso e basse temperature

La maggior parte dei progetti a stato solido cerca di progettare un catodo ultrasottile per massimizzare la superficie di contatto e limitare la quantità di materiale "morto" che non immagazzina energia.

La tempra risolve questo problema creando pori permanenti in cui può circolare lo ione sodio.

"L'abbinamento di questa fase metastabile con un catodo di tipo O3 rivestito con un elettrolita solido a base di cloruro può creare catodi spessi e ad alto carico areale che pongono questo nuovo progetto oltre le precedenti batterie al sodio."

SamOh - A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore.

Ciò crea un interessante potenziale di progettazione, poiché, in questo caso specifico, rendere l'elettrodo più spesso dovrebbe migliorare la batteria, anziché peggiorarla.

“Più spesso è il catodo, migliore è la densità energetica teorica della batteria, ovvero la quantità di energia trattenuta in un'area specifica”,

SamOh - A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore.

Durante i test sul catodo, i ricercatori hanno scoperto che le prestazioni si mantenevano a temperatura ambiente e persino sotto lo zero, un vantaggio notevole per il funzionamento in climi freddi rispetto alle batterie agli ioni di litio con elettrolita liquido convenzionali, sebbene non sia stata ancora dimostrata una superiorità più ampia a livello di sistema rispetto alle batterie agli ioni di litio commerciali.

Idrogeno come portatore di carica

Quando si parla di idrogeno in relazione ai trasporti e all'energia verde, generalmente ci si riferisce al diidrogeno (H2) e alla sua combustione o ossidazione in motori dedicati o celle a combustibile.

Ma l'idrogeno potrebbe rivelarsi un potenziale componente chiave anche in futuro per le batterie, sostituendo il litio o il sodio. In tal caso, si utilizzerà l'idruro (H-).

Poiché l'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'Universo, potrebbe essere particolarmente utile per un mondo che aspira a essere completamente elettrificato e a funzionare con energia verde e batterie.

I ricercatori cinesi dell'Università dell'Accademia cinese delle scienze, dell'Università di scienza e tecnologia della Cina (USTC), dell'Università di Jilin e del Laboratorio chiave statale di catalisi della Repubblica popolare cinese hanno rivelato nella prestigiosa rivista scientifica Nature² il concetto di una batteria agli ioni di idruro allo stato solido, sotto il titolo "Una batteria agli ioni di idruro allo stato solido ricaricabile a temperatura ambiente".

Ioni idruro

Le batterie utilizzano un portatore di carica negativa per trasportare gli elettroni tra l'anodo e il catodo. In teoria, gli ioni idruro (H−) sono più energetici, polarizzabili e reattivi dei cationi come il litio o il sodio.

L'idrogeno è anche l'atomo più piccolo, il che lo rende particolarmente leggero, un aspetto fondamentale per le batterie utilizzate nei trasporti.

Tuttavia, nonostante questi noti vantaggi, gli ioni idruro non sono stati finora utilizzati nelle batterie, poiché nessun elettrolita è stato in grado di fornire la combinazione di rapido movimento degli ioni, stabilità termica e compatibilità degli elettrodi che tali sistemi richiedono.

Combinare la conduttività con la stabilità

I ricercatori hanno sintetizzato un nuovo idruro composito nucleo-guscio, 3CeH₃@Bah₂, dove un sottile BaH₂ il guscio incapsula CeH₃Questa struttura sfrutta l'elevata conduttività degli ioni idruro di CeH₃ e la stabilità di BaH₂.

Utilizzando questo composito a guscio come elemento costitutivo, i ricercatori hanno creato un CeH₂|3CeH₃@Bah₂|NaAlH₄ prototipo di ione idruro allo stato solido. NaAlH₄, un materiale classico per l'accumulo di idrogeno, è stato utilizzato come componente attivo del catodo.

Rimuovere i dendriti per sempre?

Oltre all'elevata capacità energetica, gli ioni idruro presentano un altro importante vantaggio: a differenza dei cationi metallici, non possono assemblarsi tra loro per formare dendriti, la causa principale della maggior parte dei guasti delle batterie dopo troppi cicli di carica-scarica, causando cortocircuiti e incendi.

Potrebbe quindi rappresentare la strada per un accumulo di energia sicuro, efficiente e sostenibile.

Tuttavia, questa tecnologia è molto meno matura rispetto alle batterie al litio o persino alle batterie al sodio, e sono necessari ulteriori progressi per renderla più duratura.

Per ora, i ricercatori sono riusciti a creare un'elevata densità energetica di 984 mAh/g a temperatura ambiente. Ma la capacità della batteria è scesa a 402 mAh/g dopo soli 20 cicli.

Il futuro delle batterie allo stato solido

Nel breve termine, è probabile che le batterie che utilizzano la tecnologia agli ioni di litio rimangano la base dell'energia verde e dei veicoli elettrici.

Tuttavia, nel medio termine, le batterie allo stato solido o al sodio (e al sodio allo stato solido) potrebbero soppiantare il predominio delle batterie agli ioni di litio, soprattutto se riuscissero a offrire una densità energetica sufficientemente elevata a un prezzo inferiore.

Anche la ricarica rapida delle batterie allo stato solido potrebbe rappresentare un argomento a favore degli automobilisti restii a passare ai veicoli elettrici o alle applicazioni commerciali.

Anche la durata e la tolleranza alle basse temperature saranno fattori da considerare, con una potenziale coesistenza di un'ampia gamma di soluzioni chimiche per batterie parallele per tutti gli anni '2030 del XXI secolo, con alcune batterie specializzate per veicoli elettrici in climi freddi.

Puoi approfondire questi argomenti nei nostri articoli seguenti:

• • "Batterie ultra-durevoli: perché la tecnologia di prossima generazione durerà decenni, non solo anni"
  • "La batteria a nido d'ape potrebbe potenzialmente superare le batterie a stato solido"
  • "Il futuro della mobilità: la tecnologia delle batterie"

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Stato solido Azienda di batterie

QuantumScape

Fin dalla sua fondazione nel 2010, la californiana QuantumScape è stata una startup di spicco nel settore delle batterie allo stato solido, notevole 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 al momento della loro presentazione fu considerata rivoluzionaria, è il design privo di anodo.

Consente una ricarica 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 straordinarie sono state regolarmente ostacolate dalla difficoltà di incrementare la produzione, costringendo l'azienda a bruciare la liquidità disponibile, con conseguente diluizione degli investitori precedenti e calo del prezzo delle azioni.

Sembra che questo stia cambiando da quando 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 è legato a Cobra, l'apparecchiatura di separazione delle batterie allo stato solido di nuova generazione dell'azienda, 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.

Il rapporto con PowerCo si rafforza nel 2025, con batterie allo stato solido utilizzate in una moto Ducatie poiché PowerCo erogherà fino a 131 milioni di dollari in nuovi pagamenti nei prossimi due anni, una volta che il team congiunto di espansione avrà raggiunto determinati traguardi.

"Questo accordo ampliato è un chiaro segnale del crescente allineamento strategico, tecnico e finanziario tra le due aziende.

Ciò riflette la nostra fiducia condivisa nel QSE-5 come piattaforma rivoluzionaria per il settore delle batterie".

Dott. Siva Sivaram - CEO e presidente di QunatumSmantellina.

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.

(Puoi anche consultare altre aziende produttrici di batterie negli Stati Uniti e all'estero nel nostro articolo

"Le 10 migliori azioni di batterie in cui investire").

Studio referenziato

<sup>1. Jin An Sam Oh, et al. Closo-idridroborati di sodio metastabili per batterie allo stato solido con catodi spessi. Joule. 102130. 16 settembre 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3 
2. Jirong Cui, et al. Una batteria agli ioni di idruro allo stato solido ricaricabile a temperatura ambienteNatura. 17 settembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3</sup>