Cosa succede a guardar dentro alle batterie “solid state”? Le sorprese che non ti aspetti

Alla recente conferenza sulle batterie di Stoccarda tre esperti, Mauro Pasta, Richard Clark ed A.K. Srouji, hanno tracciato un quadro che non risparmia verità scomode e smonta alcune convinzioni

Il Battery Europe Show 2019 ha messo in calendario la conferenza forse più interessante nella sua ultima giornata: una discussione concisa ma molto densa sul futuro e la percorribilità delle tecnologie associate alle batterie con elettroliti solid state moderata da Mauro Pasta.

Quest’ultimo è professore associato di scienza dei materiali all’università di Oxford e il leader del progetto Solbat, recentemente lanciato nel Regno Unito dal consorzio pubblico-privato Faraday Institution per traghettare più rapidamente ricerca e industria verso la prossima generazione di batterie con elettroliti allo stato solido.

A fine sessione il professor Pasta ha fatto per AUTO21 un breve commento sugli spunti più utili emersi nella discussione: “c’è molto interesse sulla tecnologia solid state al momento, specialmente dal settore automotive, ma ci sono ancora dei problemi fondamentali, anche di scienza, che devono essere risolti. Principalmente questioni riguardanti litio metallo, pressione, catodo, interfacce che devono essere risolte a livello fondamentale. In più ci sono tutti i problemi di manifattura in scala, discussi durante la nostra sessione”.

Su una cosa il docente italiano non ha fatto sconti alla tecnologia che insieme ad altri ricercatori sta contribuendo a trasformare da disciplina di frontiera a settore con molteplici applicazioni pratiche: “secondo me la discussione era molto interessante per l’audience perché alcune delle società oggi qui presenti sono raggiunte da messaggi di startup attive nel settore che nei prossimi 2 anni ci sarà un prodotto solid state. Ma probabilmente non sarà pronto nei prossimi 2 anni: è il caso di stare coi piedi per terra”.

Nel corso della discussione Richard Clark, esperto della società britannica Morgan Advanced Materials, ha aggiunto alle considerazioni del professore italiano di St. Edmunds Hall alcune cifre significative. Oggi sono già una realtà investimenti equivalenti a mezzo miliardo di dollari nelle batterie solid state.

Si tratta di una cifra sorprendentemente grande, se si considera che con l’eccezione del settore dei polimeri non è una soluzione che abbia sbocchi in linee produttive commerciali. Nel 2035 il settore potrebbe arrivare a valere $68 miliardi: ma l’orizzonte a dieci anni indica che la cifra totale coinvolta potrebbe essere, molto più modestamente, di $5 miliardi.

Ci sono però alcuni fattori che, secondo Clark, potrebbero accelerarne la diffusione: 1) se la tecnologia solid state raggiungesse una vera intercambiabilità con gli attuali processi produttivi o quelli che saranno implementati a breve termine, cosa che attualmente non è; 2) se gli elettroliti allo stato solido aprissero la strada a chimiche dai costi molto più bassi; 3) infine, se qualche disavventura delle batterie agli ioni di litio come problemi di sicurezza o richiami clamorosi generassero un contesto normativo favorevole a questa tecnologia.

Quello della compatibilità coi processi produttivi attuali e del confronto con gli investimenti nella tecnologia contemporanea degli ioni di litio che spinge i veicoli elettrici attuali o che usciranno nei prossimi mesi è un ostacolo straordinariamente ingombrante. Per la prossima generazione di batterie non sarà agevole farsi largo, hanno convenuto i partecipanti al panel di Stoccarda.

A.K. Srouji, direttore tecnico dell’americana Romeo Power (startup delle batterie fresca di accordo col colosso della fornitura automotive Borg Warner) ha in particolare sottolineato questo aspetto. Un trilione di dollari di investimenti in ricerca e spese in conto capitale sta creando uno scenario che gli amministratori delegati e gli investitori avranno grande riluttanza a mettere in discussione.

In altri termini, ha commentato l’esperto americano, non sarebbe sorprendente se con una posta così alta in gioco si assistesse ad una impasse, un lock-in tecnologico, in cui la preoccupazione per l’ammortamento degli impianti finisca per prevalere su alternative tecnologiche migliori ma non abbastanza attrattive però da soppiantare le tecnologie convenzionali se fossero competitive solo per un 20, 30% del mercato delle batterie.

Concorda su queste considerazioni il professor Pasta che, pensando alla transizione nelle applicazioni della tecnologia solid state, ha anche delineato un quadro di percorribilità: “a livello pratico se avessimo una solid state che funzionasse adesso andrebbe dritta nel settore dell’elettronica di consumo: perché è meno cost sensitive. In prodotti di nicchia come un Apple Watch, secondo me potremmo usare anche tecniche di manifattura che non sono scalabili e funzionano, come la vapor deposition e potrebbero essere implementate abbastanza presto.
Poi ci sarebbe un grande interesse del settore aviazione, dove il peso è fondamentale, sfruttando magari le proprietà dello zolfo come catodo”.

La sessione ha anche espresso un parere pressoché unanime su dove progredisca più speditamente la tecnologia solid state: in particolare su quello che era considerato in passato una vetta difficile da scalare come la buona conduttività ionica. Secondo Clark si tratta ormai di un problema che appartiene agli albori dello sviluppo di questo settore.

“Questo è vero, secondo me“, conferma il professor Pasta. “Ci sono ormai elettroliti che sopra 10 ^-3 per centimetro vanno bene a livello di applicazione, soprattutto se manteniamo un buon numero di trasporto, ovvero se è solo il litio a muoversi. Nei solfuri in particolare vediamo una conducibilità abbastanza elevata. Il problema attuale è la combinazione di conducibilità e proprietà meccaniche”.

“Molto spesso quei materiali che conducono molto bene hanno altri problemi, ad esempio i solfuri conducono molto bene ma la loro finestra di stabilità elettrochimica è molto limitata. La conducibilità di per sé ormai non è un problema, ma le proprietà di quell’elettrolita con alta conducibilità possono essere un problema. Non c’è un elettrolita che abbia tutte le caratteristiche necessarie. Quello che stiamo cercando è qualcosa che abbia la stabilità di un ossido e la conducibilità e le proprietà meccaniche di un solfuro e non esiste ancora”.

Un altro ostacolo che si parava di fronte alla tecnologia solid state e comincia a non apparire più insormontabile è quello della formazione di dendriti: specialmente con le ricariche ultra-veloci un processo che inevitabilmente influenza efficienza, stabilità e sicurezza delle batterie.

E tuttavia Srouji ha spiegato che i progettisti del settore, sempre più consci del problema, stanno puntando su una risposta incentrata sulla architettura delle celle: non potendo evitare la formazione di dendriti con ripetute ricariche dalle alte potenze progetteranno le celle prevedendo spazi nei quali “invitare” e “confinare” gli sgraditi ospiti per tenerne più agevolmente sotto controllo gli effetti.