Batterie allo stato solido: il futuro dello stoccaggio energetico?

Siamo sempre più affamati di batterie!

Secondo il rapporto “Global Lithium-ion Battery Market Analysis & Forecasts to 2030” di Grand View Research, la domanda globale di batterie al litio è stata di 298,2 GWh nel 2021 e si prevede che raggiungerà 1.495,2 GWh entro il 2030, con un CAGR del 15,4%.

La crescita della domanda di batterie al litio è guidata da una serie di fattori, tra cui: l’aumento della domanda di veicoli elettrici, l’espansione dei mercati delle energie rinnovabili, l’aumento dell’uso delle batterie al litio in altri settori, come l’elettronica di consumo e l’industria. La Cina è il principale produttore e consumatore globale di batterie al litio, con una quota di mercato del 74,8% nel 2021. Altri importanti produttori di batterie al litio sono il Giappone, gli Stati Uniti, la Corea del Sud e l’Europa.

I principali settori di utilizzo delle batterie al litio sono i veicoli elettrici, le energie rinnovabili e l’elettronica di consumo. I veicoli elettrici rappresentano il settore in più rapida crescita, con una quota di mercato del 26,4% nel 2021. Le energie rinnovabili rappresentano il 23,1% della domanda di batterie al litio, mentre l’elettronica di consumo si attesta intorno al 20,5%.

Cosa sono e come sono fatte

Facciamo un ripasso e vediamo come funzionano le batterie al litio.

Questa tipologia, che rappresenta la maggior parte delle batterie utilizzate oggi, immagazzina energia grazie ad una reazione chimica di riduzione del litio. Strutturalmente, le batterie al litio – o, meglio, le loro celle sono composte da quattro componenti: un anodo (elettrodo negativo), un catodo (elettrodo positivo), un separatore (materiale solido che separa i due elettrodi) e un elettrolita (soluzione liquida che consente il passaggio degli ioni di litio generalmente composto da un sale di liquido in un solvente organico).

Durante la carica, gli ioni di litio si spostano dal catodo all’anodo, mentre durante la scarica si spostano dall’anodo al catodo.

Che caratteristiche hanno

Ecco che arriviamo alle batterie allo stato solido, che sembrano essere la nuova frontiera dello stoccaggio di energia. Concettualmente funzionano in maniera analoga alle batterie che già conosciamo – ci sono tuttavia importanti differenze a livello strutturale.

La prima delle quali è che l’elettrolita non è più liquido ma solido e può essere a base ceramica, vetrosa, ecc. Il motivo principale per cui molte aziende stanno investendo importanti risorse per svilupparle risiede della loro densità energetica, cioè la capacità di accumulare energia.

Nelle batterie allo stato solido questo valore è due volte e mezzo quello delle batterie tradizionali agli ioni di litio. Questo si traduce in batterie che a parità di capacità sono più piccole e più leggere.

Questa tecnologia presenta passi avanti anche sul lato della sicurezza, in quanto questi elettroliti non sono infiammabili. Di conseguenza possono essere usati in sicurezza a temperature più elevate. Di questo beneficiano i tempi di ricarica che possono essere “spinti” fino a sei volte di più rispetto alle batterie tradizionali.

Eppure, ancora per un po’, non le vedremo sugli scaffali dei supermercati – perché?

Gli elettroliti allo stato solito tendono a micro-espandersi e contrarsi durante il loro utilizzo. Questo crea delle microfessurazioni che riducono l’efficienza e la durata di questi dispositivi, insieme a problemi di sicurezza. Altro problema sono le basse temperature. Sotto i 10° infatti perdono efficienza.

A che punto solo le sperimentazioni

Attualmente l’ambito di azione più importante per rendere le batterie largamente disponibili è il costo.

Per realizzare questi accumulatori servono infatti impianti dedicati a mantenere pressioni elevatissime per garantire i corretti contatti tra gli elettrodi: un processo estremamente costoso in quanto fino a oggi non si è riusciti ad ottimizzare questi macchinari per una produzione su larga scala, oltre che complicato in fase produttiva.

Il risultato è un costo che in alcuni casi è di sei volte quello di una batteria di pari capacità prodotta con tecnologia tradizionale.

I più attivi in questo settore sono, per ovvi motivi, i produttori di auto elettriche, con Toyota in testa che vorrebbe portare la prima automobile dotata di questa tecnologia su strada nel 2025.