Dal momento che commercializzato nel 1991, le batterie agli ioni di litio hanno ricevuto un successo mondiale. Tuttavia, questo non può nascondere i loro limiti intrinseci in termini di sicurezza, prestazioni, fattore di forma e costi.

La maggior parte delle attuali tecnologie agli ioni di litio impiegano elettroliti liquidi, con sali di litio come LiPF6, LiBF4 o LiClO4 in un solvente organico. Tuttavia, l’interfaccia dell’elettrolito solido, che è causata dalla de-composizione dell’elettrolito sull’elettrodo negativo, limita la conduttanza effettiva. Inoltre, l’elettrolita liquido necessita di costose membrane per separare il catodo e l’anodo, nonché di un involucro impermeabile per evitare perdite. Pertanto, le dimensioni e la libertà di progettazione per queste batterie sono limitate. Inoltre, gli elettroliti liquidi hanno problemi di sicurezza e salute in quanto utilizzano liquidi infiammabili e corrosivi. Firegate di Samsung ha particolarmente evidenziato i rischi che anche le grandi aziende incorrono quando vengono utilizzati elettroliti liquidi infiammabili.

Le attuali batterie agli ioni di litio di fascia alta possono raggiungere una densità di energia di oltre 700 Wh / L a livello cellulare, con un’autonomia massima di circa 500 Km per i veicoli elettrici. I materiali ad alto catodo di nichel che vengono migliorati possono spingere ulteriormente la densità di energia, ma le caratteristiche dei materiali attivi possono tracciare una soglia.

Le batterie a stato solido possono essere un punto di svolta

L’elettrolita a stato solido consente l’integrazione di materiali con prestazioni migliori come il metallo al litio e i materiali catodici ad alta tensione. Tuttavia, è stato osservato che le batterie a stato solido di prima generazione possono contenere tipi simili di materiali elettrodi attivi, con l’elettrolita liquido sostituito da elettrolita a stato solido. In questo caso, le batterie a stato solido non hanno alcun vantaggio evidente rispetto alle batterie agli ioni di litio a base liquida in termini di densità di energia.

Tuttavia, le batterie a stato solido forniscono ancora valori in questo caso. Poiché sia gli elettrodi che l’elettrolito sono allo stato solido, l’elettrolito solido si comporta anche come separatore, consentendo una riduzione del volume e del peso dovuta all’eliminazione di alcuni componenti (ad esempio separatore e involucro). Consentono una disposizione più compatta delle celle nel pacco batteria. Ad esempio, la disposizione bipolare consente una maggiore tensione e capacità a livello cellulare. La connessione semplificata fornisce spazio extra nel pacco batteria per più celle.

Inoltre, la rimozione di elettroliti liquidi infiammabili può essere una via per batterie più sicure e di lunga durata in quanto sono più resistenti ai cambiamenti di temperatura e ai danni fisici verificatisi durante l’uso. Le batterie a stato solido possono gestire più cicli di carica / scarica prima della degradazione, promettendo una maggiore durata. Migliore sicurezza significa meno elettronica di monitoraggio della sicurezza nei moduli/pacchi batteria.

Pertanto, anche le generazioni iniziali di batterie a stato solido possono avere densità di energia simile, o anche meno rispetto alle batterie agli ioni di litio convenzionali, l’energia disponibile nel pacco batteria può essere paragonabile o addirittura superiore a quest’ultimo.

Con la finestra elettrochimica più grande che gli elettroliti solidi possono fornire, è possibile utilizzare materiali catodici ad alta tensione. Inoltre, l’anodo metallico al litio ad alta densità di energia può spingere ulteriormente la densità di energia oltre 1.000 Wh / L. Queste caratteristiche possono ulteriormente rendere la batteria a stato solido un punto di svolta.

Le tecnologie concorrenti rendono difficile la decisione

L’investimento in varie società di batterie a stato solido riflette l’enorme potenziale delle batterie a stato solido. Tuttavia, la batteria a stato solido non si basa su una sola tecnologia. Invece, ci sono diversi approcci tecnologici disponibili nel settore. Gli elettroliti allo stato solido possono essere approssimativamente segmentati in tre categorie: tipi organici, tipi inorganici e compositi. All’interno della categoria inorganica, LISICON-like, argyrodites, garnet, NASICON-like, Perovskite, LiPON, Li-Idruro e Li-Alogenuro sono considerati come 8 tipi popolari. LISICON-like e argiroditi appartengono al sistema di solfuro, mentre granato, NASICON-like, Perovskite e LiPON sono basati sul sistema di ossido.

La corsa tra sistemi polimerici, ossidi e solfuri non è ancora chiara ed è comune vedere le aziende di batterie provare più approcci. i sistemi polimerici sono facili da lavorare e sono più vicini alla commercializzazione, mentre la temperatura di esercizio relativamente elevata, il basso potenziale anti-ossido e la stabilità peggiore indicano sfide. Gli elettroliti di solfuro presentano vantaggi di elevata conduttività ionica, bassa temperatura di lavorazione, ampia finestra di stabilità elettrochimica, ecc. Molte caratteristiche li rendono attraenti, essendo considerato da molti come l’opzione definitiva. Tuttavia, la difficoltà della produzione e il sottoprodotto tossico che può essere generato nel processo rendono la commercializzazione relativamente lenta. Il sistema dell’ossido è stabile e sicuro, mentre la più alta resistenza dell’interfaccia e l’alta temperatura d’elaborazione mostrano alcune difficoltà in generale.

In questo report vengono introdotte, analizzate e confrontate tecnologie dettagliate. Per avere una migliore comprensione dello stato solido e tecnologie di batterie, i giocatori, i mercati, le opportunità, le sfide e di più, si prega di fare riferimento a IDTechEx rapporto “a Stato Solido e le Batterie ai Polimeri di 2020-2030: Tecnologia, Brevetti, le Previsioni, i Giocatori”, www.IDTechEx.com/SSB o per l’intero portafoglio di Stoccaggio dell’Energia ricerca disponibile da IDTechEx, si prega di visitare www.IDTechEx.com/Research/ES.

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