Batterie: l'elettrolita solido promette progressi

La trasformazione della tecnologia di guida per autovetture e veicoli commerciali procede rapidamente. La mobilità elettrica, e con essa la batteria, è passata al centro della scena. L'argomento onnipresente è la batteria allo stato solido, che dovrebbe eliminare diversi svantaggi degli attuali sistemi di accumulo dell'elettricità.

Chiunque sospettasse che l'International Motor Symposium di Vienna, un tradizionale grande raduno di specialisti dei motori a combustione interna, si sarebbe rapidamente dissolto in seguito alla dirompente svolta propulsiva dell'ingegneria automobilistica, si sbagliava. Anche dopo l'interruzione di due anni legata alla pandemia, ben 1'000 persone interessate provenienti da tutto il mondo si sono riunite nuovamente nell'Hofburg di Vienna nel 2023. I visitatori abituali del simposio sono rimasti colpiti dalla rapidità e dall'eleganza con cui il simposio ha attuato la trasformazione dal motore a combustione al motore elettrico. Anche quest'anno l'evento si è concentrato sull'interazione tra i sistemi di propulsione, le fonti di energia, l'accumulo di energia e i convertitori di energia.

Oggi l'attenzione a livello mondiale è rivolta all'ulteriore sviluppo delle unità elettriche. I produttori e i fornitori di automobili si dedicano al continuo miglioramento dei componenti della batteria, del motore e dell'elettronica di potenza. Ulteriori progressi sono urgentemente necessari soprattutto nel campo delle batterie. Le batterie allo stato solido, in particolare, potrebbero portare a un significativo aumento della densità di potenza. Da circa dieci anni è stato annunciato che tali sistemi di batterie sono quasi pronti per la produzione in serie, ma è necessario un ulteriore sviluppo tecnologico perché non è ancora possibile garantire la durata e l'affidabilità richieste. Al Vienna Motor Symposium, il membro del consiglio di amministrazione di VW Thomas Schmall ha indicato il 2027 come data di inizio della prima batteria allo stato solido prodotta in serie.

Grazie al loro potenziale di alta densità energetica e sicurezza, Hendrik Löbberding della società tedesca di sviluppo FEV considera le celle a stato solido come la "prossima grande cosa" nell'ulteriore sviluppo della batteria. Tuttavia, afferma, ci sono ancora numerose sfide in termini di maturità tecnica, processo produttivo e costi. Inoltre, gli obiettivi delle case automobilistiche sono estremamente ambiziosi: 900 chilometri di autonomia e prezzi delle batterie di un massimo di 75 euro per chilowattora. Oggi molti produttori di batterie in tutto il mondo stanno già sviluppando e analizzando sistemi a stato solido. I leader sono ancora le aziende dell'Asia orientale, ha detto Löbberding a Vienna, ma di recente anche gli sviluppatori di batterie statunitensi hanno iniziato a guadagnare slancio. FEV ha collaborato con il suo partner taiwanese Prologium per la ricerca sui sistemi a stato solido.

Se in una batteria agli ioni di litio l'anodo e il catodo non sono separati da un liquido, ma da un elettrolita solido, la scelta del materiale è molto complicata perché le possibilità sono molteplici. Gli sviluppatori di batterie devono poi trovare la composizione ottimale dell'elettrolita solido. Per la chimica delle celle più comuni di oggi, con anodo in grafite e catodo NMC (nichel, manganese, cobalto), esistono numerosi materiali che possono essere considerati come elettroliti. La questione chimica diventa ancora più complessa se si considerano gli ulteriori sviluppi dell'anodo e del catodo. Nell'anodo, alla grafite viene aggiunto il silicio - attualmente tecnicamente ragionevole fino a circa il 20%. Per quanto riguarda il catodo, i sistemi LFF(litio ferro fosfato) stanno diventando sempre più interessanti per motivi di risorse e di costi.

I materiali adatti per gli elettroliti a stato solido sono ceramiche - ossidi e solfuri - e polimeri conduttivi. La diversità della chimica delle celle per i sistemi a stato solido con un'ampia gamma di proprietà richiede sviluppi molto specifici per le applicazioni. Inoltre, sono ipotizzabili soluzioni con elettroliti sia liquidi che solidi. Questi concetti ibridi hanno una densità energetica leggermente inferiore rispetto ai sistemi a stato solido completi. Secondo Löbberding, non è ancora chiaro quali sistemi prevarranno nella prossima generazione di batterie agli ioni di litio.

Nei prossimi anni continueranno a competere numerose varianti di chimica delle celle, perché non è prevedibile una pallottola d'argento. Infine, al di là di tutti gli aspetti tecnici, il prezzo delle batterie continuerà a svolgere un ruolo importante anche in futuro.

Marc Sens della società di ingegneria tedesca IAV ha presentato a Vienna il sistema ibrido Twin Battery. Si tratta di otto moduli agli ioni di litio allo stato solido con celle con anodo di litio-metallo e catodo LFF e due moduli agli ioni di sodio con elettrolita liquido. In questo pacchetto di batterie sostenibili è stata prestata particolare attenzione alla lunga durata, alla buona riciclabilità e al costo modesto dei materiali utilizzati. Sebbene le celle agli ioni di sodio presentino una leggera perdita di densità energetica, questo svantaggio è almeno parzialmente compensato dall'eccellente capacità di ricarica rapida, dalle prestazioni a basse temperature e dalla buona resistenza all'invecchiamento. Inoltre, le celle agli ioni di sodio sono molto sicure e significativamente più economiche dei sistemi agli ioni di litio. Inoltre, a differenza delle celle a stato solido, non hanno bisogno di essere riscaldate.

Il grande fornitore tedesco Mahle ha recentemente collaborato nel campo delle batterie allo stato solido con lo specialista taiwanese Prologium. Le due aziende stanno sviluppando insieme soluzioni intelligenti di gestione termica per le batterie allo stato solido. L'obiettivo è ottimizzare le prestazioni, l'efficienza e i costi in particolare, ma anche l'invecchiamento dei sistemi.