Passo avanti verso le batterie solid state dagli elettroliti LLZO

Gruppo di ricerca all’elevetico EMPA avvicina le applicazioni pratiche delle celle con elettroliti solidi grazie a ceramiche ultra-sottili che migliorano conduttività e performance

Nella rincorsa al Sacro Graal della cella perfetta, sono quasi quotidiane le notizie di miglioramenti che riguardano la tecnologia solid state, o per meglio dire le tecnologie visto che c’è chi studia e lavora su ossidi, chi sui solfuri e chi sui polimeri come candidati.

È un campo che coinvolge scienziati e industria delle batterie attratte dall’opportunità di sostituire elettroliti con componenti volatili infiammabili e in certi casi instabili, e dalla possibilità con elettroliti solidi di mettere facilmente le celle in serie, usando collettori di corrente e risparmiando in peso e materia prima.

Toyota malgrado finora abbia preferito su larga scala l’ibrido convenzionale, come riferiva pochi giorni fa il Nikkei è l’unica casa auto nella Top10 e quarta nel periodo 2000-2018 quanto a brevetti ottenuti sulle batterie. E di questi molti sono relativi a tecnologie solid state, che il gruppo giapponese sta sviluppando per una generazione di elettroliti basata su una chimica LiNbO3. Ma le alternative abbondano.

Nella corsa a batterie con migliori performance e vita più lunga il team di ricerca di Yaroslav Romanyuk presso l’istituto svizzero Empa si concentra sulle tecnologie thin-film: pellicole microscopiche che puntano a rendere l’elettrolita solido altamente conduttivo per gli ioni di litio e allo stesso tempo in grado di consentire produzione conveniente su larga scala.

Tra le alternative che si confrontano per primeggiare in efficienza e concretezza, il composto ceramico garnet LLZO (che fa parte della famiglia degli ossidi e in termini più estesi andrebbe scritto Li7La3Zr2O12) è stato identificato come il più promettente in uno studio pubblicato da Jordi Sastre, che all’Empa sta completando il suo dottorato.

I pellet di pochi centimetri di diametro da usare nelle batterie finora dovevano essere trattati per la pulizia ad alte temperature, con impiego di tempo e scarto di materiale, rendendo oneroso il passaggio alla fase industriale .

Uno strato ultra-sottile, ottenuto attraverso una tecnica chiamata magnetron sputtering, appare essere la soluzione a questa problematica. A questo si abbina il vantaggio che gli ioni di litio fluiscono più rapidamente attraverso gli elettroliti LLZO, migliorando le prestazioni della cella. Lo spessore della pellicola ottenuta è di 500 nanometri: un capello è circa 100 volte più spesso.

Le batterie con elettroliti solid state LLZO appaiono già particolarmente interessanti per impieghi in esemplari di dimensioni molto ridotte e con ampie esigenze di potenza, il che fa pensare che prima di vederle su veicoli passeranno dall’elettronica di consumo ad alto valore aggiunto o dall‘Internet-delle-cose. (credito foto: ufficio stampa EMPA)

Esami del thin film elaborato all’Empa indicano che il materiale, in particolare se dopato con gallio, mostra una elevata conduttività rispetto ad altri materiali presi in considerazione per le batterie con elettroliti solid state come i LiPON (lithium-phosphorus-oxynitride): cento volte rispetto a quest’ultimi. All’Empa non hanno fatto però confronti analoghi con altri materiali considerati promettenti: come i composti LISICON o argiroditi.

La lavorazione del microfilm destinati agli elettroliti solidi potrà avvenire anche con processi più rapidi e meno costosi, visto che oggi i pellet LLZO erano trattati a 1.100 gradi, mentre i processi sviluppati in Svizzera hanno bisogno di temperature inferiori, tra i 600 e i 700 gradi.

Credito foto di apertura: ufficio stampa EMPA