È ormai da parecchi anni che le batterie ricaricabili agli ioni di litio servono i più comuni dispositivi mobile, quali computer portatili, tablet e smartphone; una nuova tecnologia, affacciatasi recentemente sulla scena, potrebbe costituire il prossimo grande passo in avanti nel settore dell’elettronica di consumo: la batteria allo stato solido. In due parole: è più sicura, più capiente e più sottile. Ma anche tremendamente costosa. Se siete curiosi di saperne di più, vi invitiamo a continuare la lettura di questo articolo.

C’è una differenza fondamentale di cui tenere conto: le comuni batterie agli ioni di litio utilizzano elettroliti liquidi per regolare il passaggio della corrente elettrica, le batterie allo stato solido optano invece per un elettrolita solido. L’elettrolita di una batteria altri non è che una soluzione chimica che conduce gli ioni di litio e permette il trasporto della corrente tra tra il catodo e l’anodo. Questo principio rimane intatto anche per le batterie allo stato solido, ma il cambio di materiali altera in maniera critica alcuni degli attributi della batteria, quali la capacità massima di carica, i tempi di carica, le dimensioni e la sicurezza.

batteria allo stato solido

Batteria allo stato solido • Tanto spazio guadagnato

Il beneficio immediato che si ottiene al passaggio dall’elettrolita liquido a quello solido è dato dall’aumento della densità della batteria. Ciò è possibile per via del fatto che invece di utilizzare grandi separatori per le celle liquide, le batterie allo stato solido si servono di barriere molto più sottili al fine di prevenire i corto circuiti. I separatori convenzionali delle batterie agli ioni di litio hanno uno spessore compreso tra i 20 e i 30 micron; la tecnologia allo stato solido permette di ridurlo a 3-4 micron, riducendo così la necessità di spazio per questi elementi di ben sette volte.

I separatori non sono, tuttavia, l’unico componente delle batterie, e dunque c’è un limite alla riduzione delle dimensioni. Ad ogni modo, a conti fatti (e sostituendo l’anodo con un’alternativa di minori dimensioni), una batteria allo stato solido, a parità di dimensioni, può avere una capacità doppia rispetto ad una batteria agli ioni di litio.

batteria allo stato solido

Batteria allo stato solido • Maggior durata

Gli elettroliti allo stato solido posseggono tipicamente una reattività minore rispetto a quelli liquidi o in gel attuali, e dunque sono meno soggetti al degrado e non necessitano di essere sostituiti ogni 2 o 3 anni. Ciò significa anche che le batterie allo stato solido non esploderanno o prenderanno fuoco se danneggiate o difettose, il che si traduce naturalmente in una maggiore sicurezza per i consumatori.

Per i possessori degli smartphone attuali, le batterie sostituibili sono essenziali qualora si abbia intenzione di utilizzare il proprio terminale per diversi anni. Le batterie di oggi, inoltre, spesso e volentieri non sono in grado di trattenere come si deve la propria carica dopo un solo anno di utilizzo, causando instabilità a livello hardware, reset inattesi o altri problemi. Con le batterie allo stato solido, tutti queste spiacevoli situazioni potranno essere dimenticate una volta per tutte, dal momento che la loro durata e affidabilità sarà di gran lunga superiore.

Batteria allo stato solido • Gli elettroliti allo stato solido

Contrapporre le batterie allo stato “liquido” e quelle allo stato solido non è sufficiente. I composti chimici allo stato solido che si possono utilizzare per la realizzazione delle batterie sono infatti molteplici. Ci sono otto differenti macro-categorie di batterie allo stato solido, ognuna delle quali utilizza diversi materiali per il proprio elettrolita: Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, simil NASICON, Garnet, Argyrodite, LiPON e simil LISICON.

Va inoltre tenuto conto del fatto che si tratta di una tecnologia emergente, e che i ricercatori devono ancora identificare l’elettrolita che meglio si presta per la costruzione di batterie. Ad ogni modo i candidati più papabili al momento sono LiPON, Garnet e gli elettroliti a base di solfuro.

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Batterie allo stato solido ultrasottili

Anche le batterie allo stato solido possono essere divise in due sottocategorie: quelle ultrasottili (film) e quelle più voluminose (bulk). Le batterie che fanno uso dell’elettrolita LiPON sono ideali per la realizzazione di soluzioni ultrasottili, alcune delle quali sono già sul mercato e vengono utilizzate per gli accessori di tipo wearable e per gadget che richiedono celle di piccole dimensioni: l’elettrolita LiPON, infatti, è leggero, sottile ed estremamente flessibile, oltre che notevolmente stabile, dato che ogni 40.000 cicli di carica la capacità massima decresce solamente del 5%.

Il confronto con le batterie agli ioni di litio è quasi imbarazzante: le soluzioni attuali mostrano un degrado simile o superiore ogni 300-1000 cicli di carica. Ciò significa che le batterie LiPON sono capaci di offrire una vita operativa superiore di 40-130 volte rispetto a quelle agli ioni di litio. Prima di dover cambiare una batteria allo stato solido, molto probabilmente dovremo acquistare un nuovo smartwatch.

La tecnologia LiPON ha però dei limiti: la capacità massima non è molto elevata, e la conduttività è piuttosto scarsa. Si spera che i ricercatori riescano a trovare un’alternativa migliore: in fin dei conti, il maggior deterrente all’acquisto di uno smartwatch oggi è proprio la scarsa autonomia delle batterie.

Batterie allo stato solido di grandi dimensioni

Al momento attuale, le batterie allo stato solido non sono ancora idonee per lo sviluppo di soluzioni con celle di grandi dimensioni come quelle utilizzate su smartphone, tablet, computer portatili o automobili elettriche. Batterie allo stato solido di simili dimensioni necessiterebbero infatti di una conduttività ionica – che misura la capacità degli ioni di muoversi in un dato materiale – pari o superiore rispetto a quelle con elettroliti liquidi. Le batterie LiPON, LiS e SiS si rivelano dunque inadatte al compito per prodotti commerciali, in quanto a temperatura ambiente la loro conduttività è troppo bassa.

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Batterie allo stato solido ad alta conduttività

Fortunatamente giungono in soccorso dei ricercatori gli elettroliti LLZO (garnet-oxide), che offrono una conduttività ionica molto prossima a quella delle batterie agli ioni di litio; nuovi studi sugli elettroliti LGPS rivelano che tale materiale, peraltro stabile nell’aria e nell’acqua, potrebbe raggiungere o addirittura superare la conduttività delle attuali batterie. Sfortunatamente il processo di sintetizzazione di tali materiali è estremamente costoso. In futuro, tecniche di produzione più raffinate potrebbero rendere meno costosa la produzione delle batterie allo stato solido, la cui appetibilità commerciale è tuttavia ancora molto lontana.

Batterie allo stato solido • Conclusione

La tecnologia che sta alla base delle batterie allo stato solido non è ancora matura. Prima di vedere una batteria allo stato solido su uno smartphone, probabilmente dovremo attendere ancora 4 o 5 anni, anche se il loro utilizzo all’interno di altre categorie merceologiche (come quella dei droni) è ormai essere prossimo. La ricerca è però ormai a buon punto: soluzioni capaci di competere – in termini di attributi – con le attuali batterie agli ioni di litio sono già stati presentate. C’è dunque solamente da attendere che il processo di produzione maturi; i produttori capaci di tramutare tale tecnologia in una realtà commerciale sono parecchi e agguerriti.

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In ultimo, riassumiamo i benefici chiave delle batterie allo stato solido: ricarica fino a 6 volte più veloce, capacità doppia, ciclo di vita prossimo ai 10 anni, nessun componente infiammabile. Vi aspettiamo.

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