Accumulatore allo stato solido
Un accumulatore allo stato solido (o anche batteria allo stato solido) è una tipologia di batteria che utilizza elettrodi solidi e un elettrolita allo stato solido, invece degli elettroliti in gel liquido o polimerico presenti nelle batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio.[1][2] I materiali utilizzati come elettroliti solidi negli accumulatori allo stato solido includono ceramiche (ad esempio ossidi, solfuri, fosfati) e polimeri solidi. Gli accumulatori allo stato solido hanno trovato impiego in pacemaker, RFID e dispositivi indossabili. Sono sicuri, hanno alte densità di energia, ma di contro hanno un costo molto elevato.
Storia
Tra il 1831 e il 1834, Michael Faraday scoprì gli elettroliti solidi solfuro d'argento e piombo (II) fluoruro, che gettarono le basi della ionica dello stato solido.[3][4] Le batterie ad alte prestazioni sono considerate dispositivi ionici allo stato solido.[5]
Alla fine degli anni '50, furono fatti sforzi per sviluppare una batteria a stato solido.[6] Le prime batterie a stato solido utilizzavano un elettrolita conduttivo agli ioni d'argento, avevano basse densità di energia e tensioni delle celle e un'alta resistenza interna. Una nuova classe di elettrolita a stato solido, sviluppata dall'Oak Ridge National Laboratory negli anni '90, è stata successivamente incorporata in alcune batterie agli ioni di litio a film sottile.[7]
Nel 2011 Bolloré ha lanciato la BlueCar con una batteria ai polimeri di litio da 30kWh, che utilizzava un elettrolita polimerico solido creato dissolvendo un sale di litio in un co-polimero solvente (poliossietilene).
Nel 2013, i ricercatori dell'Università del Colorado a Boulder hanno annunciato lo sviluppo di una batteria al litio allo stato solido, con un catodo solido basato su una composizione chimica ferro-zolfo, che prometteva una maggiore capacità energetica.[8]
Nel 2014, i ricercatori della Sakti3 hanno annunciato una batteria agli ioni di litio elettrolitico allo stato solido e hanno dichiarato una maggiore densità di energia a costi inferiori.[9] Toyota ha annunciato il suo impegno per lo sviluppo di batterie allo stato solido[10] e detiene la maggior parte dei brevetti.[11] Nel 2015 Sakti3 è stata acquisita da Dyson.[12]
Nel 2017, John Goodenough, il co-inventore delle batterie agli ioni di litio, ha presentato una batteria allo stato solido, utilizzando un elettrolita di vetro e un anodo alcalino-metallico costituito da litio, sodio o potassio.[13] Nel 2017 Toyota ha annunciato il rafforzamento di una partnership decennale con Panasonic, che comprende una collaborazione sulle batterie a stato solido.[14] Altre case automobilistiche che sviluppano tecnologie a batteria allo stato solido sono BMW,[15] Honda,[16] Hyundai[17] e Nissan.[18] Dyson, una società nota per la produzione di elettrodomestici, ha annunciato l'intenzione di lanciare un'auto elettrica entro il 2020.[12] Due anni prima dell'annuncio, Dyson aveva acquistato Sakti3, una società di ricerca sulle batterie allo stato solido. Dyson ha abbandonato il progetto di auto elettrica nel 2019, ma ha dichiarato che la tecnologia della batteria sarebbe stata ulteriormente sviluppata.[19] La Fisker afferma che la sua tecnologia di batteria allo stato solido sarà pronta per la "produzione di serie per l'industria automobilistica" nel 2023.[20] NGK, una società nota per la produzione di candele di accensione, sta sviluppando batterie allo stato solido a base ceramica, avvalendosi della sua esperienza nel settore.[21]
Nel 2018, la Solid Power ha annunciato di aver ricevuto 20 milioni di dollari in finanziamenti per una piccola linea di produzione per la produzione di batterie ricaricabili al litio completamente allo stato solido.[22] La linea sarà in grado di produrre batterie con circa 10 megawattora di capacità all'anno.[23] La Volkswagen ha annunciato un investimento di 100 milioni di dollari in QuantumScape, una startup di batterie allo stato solido nata a Stanford.[24] La società cinese Qing Tao ha avviato una linea di produzione di batterie allo stato solido.[25]
Nell'agosto 2022, Svolt, nata da Great Wall Motors, annuncia la produzione di massa delle prime batterie allo stato solido da 20 Ah con un'autonomia teorica di 1.000 km grazie ad un elettrolita solido a base di solfuro.[26]
Nel giugno 2024 TDK, principale fornitore di Apple e Tesla, annuncia il lancio delle batterie allo stato solido CeraCharge con una densità energetica di 1.000 wattora/litro, 100 volte superiore a quelle delle sue batterie attualmente in commercio. Ciò permette lo stoccaggio di maggiori quantità di energia in batterie meno ingombranti.[27]
Materiali
I materiali proposti per l'uso come elettroliti solidi nelle batterie allo stato solido sono ceramica,[28] vetro (vedi batteria di vetro),[13] e solfuri.[29] I catodi delle batterie allo stato solido tendono sempre ad essere un catodo a base di litio con molte varianti che sono state testate, come LiCoO2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiMn2O4 e LiNi0,8Co0,15Al0,05O2. Gli anodi delle batterie allo stato in base al tipo di elettrolita solido utilizzato. Alcuni esempi di anodi a stato solido sono In, GexSi1−x, SnO–B2O3, SnS–P2S5, Li2 FeS2, FeS, NiP2 e Li2 SiS3.[30]
Un materiale promettente per il catodo è il litio-zolfo, che ha una capacità teorica di 1670 mAhg −1, "che è dieci volte più grande del valore effettivo del LiCoO2". Lo zolfo non può essere utilizzato come catodo in applicazioni con elettroliti liquidi poiché è solubile nella maggior parte degli elettroliti liquidi, causando una drastica riduzione della durata della batteria. Questo è il motivo per cui lo zolfo è attualmente oggetto di studi approfonditi in applicazioni allo stato solido.[30] Recentemente, è stato sviluppato un tessuto ceramico che ha mostrato risultati promettenti quando viene utilizzato in una batteria a stato solido Li-S. Questo tessuto è stato utilizzato come separatore tra l'anodo e il catodo e ha contribuito a facilitare la trasmissione degli ioni di litio, gestendo al contempo il carico di zolfo. I risultati di questo dispositivo sono stati promettenti, tuttavia non hanno raggiunto la densità di energia teorica prevista. Il risultato "con un supporto elettrolitico spesso 500 µm e un utilizzo del 63% dell'area elettrolitica" è stato di "71 Wh/kg" mentre la densità di energia prevista era di 500 Wh/kg.[31]
Le batterie allo stato solido Li-O2 sembrano promettenti per migliorare le batterie attuali con la loro elevata capacità teorica. Tuttavia, il problema principale con questi dispositivi è che "l'anodo al litio deve essere sigillato dall'atmosfera ambiente, mentre il catodo ad aria deve essere in contatto con esso".[30]
La batteria Li/LiFePO4 è altrettanto promettente come applicazione allo stato solido per veicoli elettrici. Uno studio effettuato nel 2010 ha messo in evidenza questo materiale come un'alternativa sicura alle batterie ricaricabili per i veicoli elettrici.[32]
Un prototipo di batteria al litio metallo, contenente nell'anodo un foglio di carbonio poroso monodimensionale additivato con nanoparticelle d'oro, ha limitato l'usura e raggiunto 500 cicli di ricarica preservando una capacità dell'82,5% rispetto a quella originale.[33]
Applicazioni
Le batterie allo stato solido trovano impiego in pacemaker, RFID e dispositivi indossabili.[34][35]
Veicoli elettrici
Le auto elettriche ibride e plug-in utilizzano una varietà di tecnologie di batteria, tra cui ioni di litio, idruro di nichel-metallo, piombo-acido e condensatore elettrico a doppio strato.[36]
Al 2022, un gruppo di ingegneri dell'Università di Harvard è riuscita a produrre batterie con un tempo di ricarica di 3 minuti e una vita utile di 10.000 cicli di ricarica.[37]
Svantaggi
Costo
Le batterie a stato solido sono tradizionalmente costose da realizzare[38] e i processi di produzione sono difficili da ridimensionare, richiedendo costose apparecchiature per la deposizione sotto vuoto.[7] Nel 2012 è stato stimato che, sulla base della tecnologia attuale, una batteria a stato solido da 20 Ah costerebbe 100.000 dollari e un'auto elettrica di fascia alta richiederebbe da 800 a 1.000 di tali celle. Il costo ha impedito l'adozione di batterie allo stato solido in altre aree, come gli smartphone .[34]
Effetti di temperatura e pressione
Le operazioni a bassa temperatura possono essere impegnative.[38] Una volta le batterie allo stato solido erano note per scarse prestazioni in questa condizione.[8]
Le batterie a stato solido con elettroliti ceramici richiedono alta pressione per mantenere il contatto con gli elettrodi.[39] Le batterie a stato solido con separatori ceramici possono rompersi a causa di sollecitazioni meccaniche.[7]
Dendriti
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/Lithium_dendrite.jpg/220px-Lithium_dendrite.jpg)
Gli anodi metallici al litio solido nelle batterie allo stato solido stanno sostituendo gli anodi in grafite nelle batterie agli ioni di litio per densità di energia più elevate, sicurezza e tempi di ricarica più rapidi. Il litio solido come anodo è soggetto alla formazione e alla crescita di dendriti a causa della deposizione non uniforme del metallo.[40]
I dendriti penetrano nel separatore che si trova tra l'anodo e il catodo per evitare cortocircuiti. La penetrazione attraverso il separatore crea un cortocircuito che genera surriscaldamento, incendi o esplosioni da propagazione in fuga termica.[41] I dendriti riducono l'efficienza di Coulomb.[42]
I dendriti si formano comunemente durante l'elettrodeposizione[43] in fase di carica e scarica. Gli ioni di litio nell'elettrolita si combinano con gli elettroni sulla superficie dell'anodo mentre la batteria si carica, formando uno strato metallico di litio.[44] Idealmente, la deposizione di litio avviene uniformemente sull'anodo. Tuttavia, se la crescita non è uniforme, le strutture possono crescere con un andamento ad ago attraverso l'elettrolita e/o il separatore.[45]
Si è scoperto che l'interfase elettrolita solido stabile (SEI) è la strategia più efficace per inibire la crescita del dendrite e ottenere prestazioni più elevate in termini di ciclo batteria.[42] Gli elettroliti allo stato solido (SSE) potrebbero impedire la crescita di un dendrite, sebbene ciò sia ancora solamente un'ipotesi.[41] Uno studio del 2018 ha identificato separatori ceramici nanoporosi che bloccano la crescita del dendrite di litio fino a densità di corrente critiche.[46]
Vantaggi
Si ritiene che la tecnologia delle batterie allo stato solido sia in grado di aumentare la densità di energia (2,5x),[47] grazie all'utilizzo dell'anodo al litio metallico.
Possono evitare l'uso di materiali pericolosi o tossici presenti nelle batterie commerciali, come elettroliti organici.[48]
Poiché la maggior parte degli elettroliti liquidi sono infiammabili e gli elettroliti solidi non sono infiammabili, si ritiene che le batterie allo stato solido siano più sicure. Sono necessari meno sistemi di sicurezza, a fronte di un aumento della densità di energia.[1][48] Studi recenti mostrano che la generazione di calore all'interno è solo del 20-30% circa rispetto alle batterie convenzionali con elettrolita liquido in fuga termica.[49]
Si ritiene che la tecnologia della batteria allo stato solido consenta una ricarica più rapida.[50][51] È possibile avere una maggiore differenza di potenziale e una maggiore durata del ciclo.[38][48]
Note
- ^ a b Marc S. Reisch, Solid-state batteries inch their way toward commercialization, in Chemical & Engineering News, vol. 95, n. 46, 20 novembre 2017, pp. 19-21, DOI:10.1021/cen-09546-bus.
- ^ Andy Vandervell, What is a solid-state battery? The benefits explained, in Wired UK, 26 settembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Solid State Ionics: from Michael Faraday to green energy-the European dimension, in Science and Technology of Advanced Materials, vol. 14, n. 4, August 2013, p. 043502, Bibcode:2013STAdM..14d3502F, DOI:10.1088/1468-6996/14/4/043502, PMID 27877585.
- ^ Sehee Lee, Solid State Cell Chemistries and Designs (PDF), su ARPA-E, 2012. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Werner Weppner, Engineering of solid state ionic devices, in International Journal of Ionics, vol. 9, 5–6, September 2003, pp. 444-464, DOI:10.1007/BF02376599.«Solid state ionic devices such as high performance batteries...»
- ^ Boone B. Owens e M. Z. A. Munshi, History of Solid State Batteries (PDF), in Defense Technical Information Center, Corrosion Research Center, University of Minnesota, January 1987, Bibcode:1987umn..rept.....O. URL consultato il 1º gennaio 2023 (archiviato dall'url originale il 31 agosto 2020).
- ^ a b c Kevin S. Jones, Nicholas G. Rudawski e Isaiah Oladeji, The state of solid-state batteries (PDF), in American Ceramic Society Bulletin, vol. 91, n. 2. URL consultato il 25 gennaio 2021 (archiviato dall'url originale il 19 febbraio 2018).
- ^ a b Solid-state battery developed at CU-Boulder could double the range of electric cars, su colorado.edu, University of Colorado Boulder, 18 settembre 2013. URL consultato il 7 gennaio 2018 (archiviato dall'url originale il 7 novembre 2013).
- ^ Brian Dumaine, Will this battery change everything?, in Fortune Magazine, 18 settembre 2014. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Hans Greimel, Toyota preps solid-state batteries for '20s, in Automotive News, 27 gennaio 2014. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ David R Baker, Why lithium-ion technology is poised to dominate the energy storage future, su renewableenergyworld.com, Bloomberg, 3 aprile 2019. URL consultato il 7 aprile 2019 (archiviato dall'url originale il 7 aprile 2019).
- ^ a b Vacuum Tycoon James Dyson To Roll Out An Electric Car By 2020, in Forbes, 26 settembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ a b Lithium-Ion Battery Inventor Introduces New Technology for Fast-Charging, Noncombustible Batteries, su University of Texas at Austin, 28 febbraio 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Kevin Buckland e Hideki Sagiike, Toyota Deepens Panasonic Battery Ties in Electric-Car Rush, in Bloomberg Technology, 13 dicembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Solid Power, BMW partner to develop next-generation EV batteries, in Reuters, 18 dicembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Andrew Krok, Honda hops on solid-state battery bandwagon, in Roadshow by CNET, 21 dicembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Fred Lambert, Hyundai reportedly started pilot production of next-gen solid-state batteries for electric vehicles, in Electrek, 6 aprile 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Honda and Nissan said to be developing next-generation solid-state batteries for electric vehicles, in The Japan Times, 21 dicembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ (EN) Dyson scraps plans for electric car, 10 ottobre 2019. URL consultato il 10 ottobre 2019.
- ^ Fred Lambert, Fisker claims solid-state battery 'breakthrough' for electric cars with '500 miles range and 1 min charging', in Electrek, 14 novembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Naomi Tajitsu, Bracing for EV shift, NGK Spark Plug ignites all solid-state battery quest, in Reuters, 21 dicembre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Solid Power raises $20 million to build all-solid-state batteries — Quartz, su qz.com. URL consultato il 10 settembre 2018.
- ^ Samsung Venture, Hyundai Investing in Battery Producer, su bloomberg.com. URL consultato l'11 settembre 2018.
- ^ Volkswagen becomes latest automaker to invest in solid-state batteries for electric cars, 22 giugno 2018.
- ^ Fred Lambert, China starts solid-state battery production, pushing energy density higher, su electrek.co, 20 novembre 2018.
- ^ Le batterie allo stato solido di Svolt passano i primi test: la produzione in serie è vicina, su auto.hwupgrade.it, 2 settembre 2022.
- ^ TDK rivoluziona le batterie con densità 100 volte maggiore: la svolta per i dispositivi tecnologici, su informazione.it.
- ^ David L. Chandler, Study suggests route to improving rechargeable lithium batteries, su Massachusetts Institute of Technology, 12 luglio 2017.«Researchers have tried to get around these problems by using an electrolyte made out of solid materials, such as some ceramics.»
- ^ David L. Chandler, Toward all-solid lithium batteries, su Massachusetts Institute of Technology, 2 febbraio 2017.«Researchers investigate mechanics of lithium sulfides, which show promise as solid electrolytes.»
- ^ a b c Kazunori Takada, Progress and prospective of solid-state lithium batteries, in Acta Materialia, The Diamond Jubilee Issue, vol. 61, n. 3, 1º febbraio 2013, pp. 759-770, DOI:10.1016/j.actamat.2012.10.034, ISSN 1359-6454 (WC · ACNP).
- ^ Yunhui Gong, Kun Fu e Shaomao Xu, Lithium-ion conductive ceramic textile: A new architecture for flexible solid-state lithium metal batteries, in Materials Today, vol. 21, n. 6, 1º luglio 2018, pp. 594-601, DOI:10.1016/j.mattod.2018.01.001, ISSN 1369-7021 (WC · ACNP).
- ^ L. Damen, J. Hassoun e M. Mastragostino, Solid-state, rechargeable Li/LiFePO4 polymer battery for electric vehicle application, in Journal of Power Sources, vol. 195, n. 19, 1º ottobre 2010, pp. 6902-6904, DOI:10.1016/j.jpowsour.2010.03.089, ISSN 0378-7753 (WC · ACNP).
- ^ Batterie al litio-metallo, la soluzione dalla Corea per risolvere i problemi di durata, su auto.hwupgrade.it, 5 settembre 2022.
- ^ a b Kris Carlon, The battery technology that could put an end to battery fires, in Android Authority, 24 ottobre 2016. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Will solid-state batteries power us all?, in The Economist, 16 ottobre 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Energy Storage, su National Renewable Energy Laboratory. URL consultato il 7 gennaio 2018.«Many automakers have adopted lithium-ion (Li-ion) batteries as the preferred EDV energy storage option, capable of delivering the required energy and power density in a relatively small, lightweight package.»
- ^ Harvard engineers develop solid-state battery with performance, reliability improvements, su www-teslarati-com.cdn.ampproject.org, 13 settembre 2022. URL consultato il 16 settembre 2022.
- ^ a b c Kevin S. Jones, State of Solid-State Batteries (PDF), su ehcar.net. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ New hybrid electrolyte for solid-state lithium batteries, su phys.org, 21 dicembre 2015. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Kevin N. Wood, Eric Kazyak e Alexander F. Chadwick, Dendrites and Pits: Untangling the Complex Behavior of Lithium Metal Anodes through Operando Video Microscopy, in ACS Central Science, vol. 2, n. 11, 14 ottobre 2016, pp. 790-801, DOI:10.1021/acscentsci.6b00260, PMID 27924307.
- ^ a b Hanqing Jiang, Ming Tang e Huigao Duan, Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates, in Nature Energy, vol. 3, n. 3, March 2018, pp. 227-235, Bibcode:2018NatEn...3..227W, DOI:10.1038/s41560-018-0104-5, ISSN 2058-7546 (WC · ACNP).
- ^ a b Xin-Bing Cheng e Zhang, A Review of Solid Electrolyte Interphases on Lithium Metal Anode, in Advanced Science, vol. 3, n. 3, 17 novembre 2015, p. 1500213, DOI:10.1002/advs.201500213, PMID 27774393.
- ^ DOI:10.1007/978-3-319-44054-5_4, ISBN 978-3-319-44053-8. Parametro
titolo
vuoto o mancante (aiuto) - ^ (EN) Katherine Joann Harry, Lithium dendrite growth through solid polymer electrolyte membranes, 1º maggio 2016, DOI:10.2172/1481923.
- ^ John Newman e Charles Monroe, Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems A Propagation Model for Liquid Electrolytes under Galvanostatic Conditions, in Journal of the Electrochemical Society, vol. 150, n. 10, 1º ottobre 2003, pp. A1377–A1384, DOI:10.1149/1.1606686, ISSN 0013-4651 (WC · ACNP).
- ^ (EN) Martin Z. Bazant, Fikile R. Brushett e Ju Li, Interactions between Lithium Growths and Nanoporous Ceramic Separators, in Joule, vol. 2, n. 11, 21 novembre 2018, pp. 2434-2449, DOI:10.1016/j.joule.2018.08.018, ISSN 2542-4785 (WC · ACNP).
- ^ Dudney (a cura di), Handbook of Solid State Batteries, collana Materials and Energy, vol. 6, 2ndª ed., World Scientific Publishing Co. Pte, 2015, DOI:10.1142/9487, ISBN 978-981-4651-89-9.
- ^ a b c Kevin Bullis, Solid-State Batteries - High-energy cells for cheaper electric cars, in MIT Technology Review, 19 aprile 2011. URL consultato il 7 gennaio 2018 (archiviato dall'url originale il 13 dicembre 2020).
- ^ Takao Inoue e Kazuhiko Mukai, Are All-Solid-State Lithium-Ion Batteries Really Safe?–Verification by Differential Scanning Calorimetry with an All-Inclusive Microcell, in ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 9, n. 2, 18 gennaio 2017, pp. 1507-1515, DOI:10.1021/acsami.6b13224, ISSN 1944-8244 (WC · ACNP), PMID 28001045.
- ^ Paul A. Eisenstein, From cellphones to cars, these batteries could cut the cord forever, in NBC News, 1º gennaio 2018. URL consultato il 7 gennaio 2018.
- ^ Eric Limer, Toyota Working on Electric Cars That Charge in Minutes for 2022, in Popular Mechanics, 25 luglio 2017. URL consultato il 7 gennaio 2018.
Bibliografia
- Nancy J. Dudney, William C Wes e Jagjit Nanda, Handbook of Solid State Batteries and Capacitors, 2ndª ed., World Scientific Publishing, 2015, DOI:10.1142/9487, ISBN 978-981-4651-89-9.
- J. B. Goodenough, Batteries and a Sustainable Modern Society, in Interface Magazine, vol. 25, n. 3, 2016, pp. 67-70, DOI:10.1149/2.F05163if.
- M.H. Braga, N.S. Grundish e A.J. Murchison, Alternative strategy for a safe rechargeable battery, in Energy & Environmental Science, vol. 10, 9 dicembre 2016, pp. 331-336, DOI:10.1039/C6EE02888H. URL consultato il 15 marzo 2017 (archiviato dall'url originale il 2 settembre 2017).
- M. H. Braga, J. A. Ferreira e V. Stockhausen, Novel Li3ClO based glasses with superionic properties for lithium batteries, in Journal of Materials Chemistry A, vol. 2, n. 15, 21 aprile 2014, pp. 5470-5480, DOI:10.1039/C3TA15087A.
Voci correlate
- Elettrolita allo stato solido
- Valenza (chimica)
- Cristallo ionico
- John B. Goodenough
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