Le Batterie allo Stato Solido non sono una Soluzione: rendono poco più delle ordinarei

Le batterie al litio-metallo allo stato solido sono state a lungo acclamate come un potenziale cambiamento nell’immagazzinamento dell’energia, in particolare nei veicoli elettrici e in altre applicazioni.

Promettendo miglioramenti come una maggiore autonomia, tempi di ricarica più rapidi e una maggiore sicurezza, la commercializzazione di questa tecnologia è stata anticipata tra il 2026 e il 2028.

Tuttavia, recenti ricerche suggeriscono che le prestazioni di queste batterie potrebbero non essere all’altezza delle aspettative iniziali, mettendo in dubbio la loro fattibilità come alternativa superiore alle tradizionali batterie agli ioni di litio.

Solo 0,74% di guadagno

Uno studio che ha valutato gli elettroliti solidi di tipo granato, in particolare l’ossido di litio-lantanio-zirconio (LLZO), ha indicato che i benefici previsti in termini di densità energetica delle batterie litio-metallo allo stato solido potrebbero essere sopravvalutati.

Secondo i risultati, una batteria al litio-metallo interamente allo stato solido che utilizza l’LLZO raggiungerebbe una densità energetica gravimetrica di circa 272 Wh/kg.

Questa cifra supera solo marginalmente i 250-270 Wh/kg offerti dalle attuali batterie agli ioni di litio.

Batteria allo stato solido della Toyota

Dati gli elevati costi di produzione e le significative sfide produttive insite nella lavorazione dell’LLZO, lo studio ipotizza che gli elettroliti compositi o quasi-solidi potrebbero emergere come opzioni più pratiche.

Eric Jianfeng Cheng, autore principale dello studio e ricercatore presso la WPI-AIMR, Tohoku University, ha dichiarato: “Le batterie al litio-metallo interamente allo stato solido sono state considerate il futuro dell’immagazzinamento dell’energia, ma il nostro studio dimostra che i progetti basati sull’LLZO potrebbero non fornire il salto di densità energetica previsto. Anche in condizioni ideali, i guadagni sono limitati e i costi e le sfide di produzione sono significativi”.

Le batterie al litio-metallo allo stato solido hanno guadagnato attenzione soprattutto per il miglioramento della sicurezza e delle prestazioni energetiche.

Tuttavia, un esame più approfondito delle celle pratiche a sacchetto a base di LLZO indica che le aspettative sull’aumento della densità energetica possono essere fuorvianti.

Anche con un separatore ceramico LLZO ultrasottile da 25 μm e un catodo ad alta capacità, le prestazioni rimangono solo leggermente migliori di quelle delle migliori celle agli ioni di litio convenzionali.

Modello di batteria allo Stato Solido (da TOhoku University)

Batterie al litio allo stato solido

Un aspetto significativo sottolineato dallo studio è la densità dell’LLZO.
Sebbene abbia un’impressionante densità energetica volumetrica di circa 823 Wh/L, questa caratteristica contribuisce anche ad aumentare la massa complessiva della cella, diluendo i benefici energetici previsti.

Inoltre, i limiti dell’LLZO non si fermano qui. La sua fragilità complica la fabbricazione di fogli sottili privi di difetti, mentre le potenziali dendriti di litio e i vuoti all’interfaccia rappresentano ulteriori sfide per la produzione su larga scala.

Cheng ha sottolineato: “L’LLZO è un materiale eccellente dal punto di vista della stabilità, ma i suoi limiti meccanici e la penalizzazione del peso creano seri ostacoli alla commercializzazione”.
Alla luce di questi risultati, i ricercatori stanno studiando approcci ibridi che combinano l’LLZO con altri materiali.

Una delle strategie più promettenti prevede lo sviluppo di elettroliti compositi LLZO-in-polimero.
Questo approccio mira a mantenere un’elevata conduttività ionica, migliorando al contempo la flessibilità e la producibilità.

Un altro concetto emergente è quello degli elettroliti LLZO quasi-solidi, che mescolano una piccola quantità di elettrolita liquido con componenti solidi per migliorare il trasporto ionico e l’integrità strutturale.

I primi risultati suggeriscono che questi progetti ibridi offrono una migliore stabilità a lungo termine rispetto alle loro controparti completamente ceramiche.

“Invece di concentrarci su una batteria allo stato solido completamente ceramica, dobbiamo ripensare il nostro approccio”, ha commentato Cheng.

“Combinando LLZO con elettroliti a base di polimeri o gel, possiamo migliorare la producibilità, ridurre il peso e mantenere comunque alte le prestazioni”.

Lo studio, pubblicato di recente su Energy Storage Materials, è frutto della collaborazione tra ricercatori della Tohoku University, della Shanghai Jiao Tong University, del MIT, della UW Madison, della Johns Hopkins University e della St Andrews University.