Batterie allo stato solido: perché tutti vogliono costruirle

Una batteria capace di aumentare l’autonomia delle auto elettriche, ridurre il rischio di incendio e ricaricarsi più rapidamente sembra la soluzione ideale a molti limiti della tecnologia attuale. È la promessa delle batterie allo stato solido, sulle quali lavorano produttori come CATL, Toyota, Samsung SDI, LG Energy Solution e BYD, insieme a società specializzate quali QuantumScape, Solid Power, Factorial e ProLogium. Il flusso di investimenti è enorme: entro il 2025 le startup statunitensi ed europee impegnate nel settore avevano raccolto complessivamente più di 4 miliardi di dollari, mentre CATL disponeva già nel 2024 di un gruppo di ricerca formato da oltre 1.000 persone.

La corsa, però, non nasce soltanto dalla volontà di sostituire un liquido infiammabile con un materiale solido. Il vero obiettivo è ridurre una parte della massa che oggi serve a controllare la reazione elettrochimica e, soprattutto, rendere praticabile l’impiego del litio metallico al posto della grafite. In teoria, una simile architettura può immagazzinare più energia nello stesso peso. La realtà, invece, è che gli elettroliti solidi introducono problemi meccanici, chimici e produttivi che non compaiono nelle presentazioni commerciali.

La tecnologia agli ioni di litio ha iniziato la propria espansione commerciale nel 1991, quando Sony portò sul mercato le sue celle ricaricabili. Da allora densità energetica, durata e costi sono migliorati enormemente, favorendo prima l’elettronica portatile e poi l’auto elettrica. Le celle automobilistiche moderne possono superare 250 Wh/kg, ma restano molto lontane dall’energia specifica dei combustibili liquidi. Il confronto diretto con benzina e gasolio, tuttavia, nasconde una differenza fondamentale: un motore preleva l’ossigeno dall’aria, mentre una batteria deve trasportare al proprio interno entrambi i lati della reazione.

Perché una batteria pesa molto più del litio che contiene

Una batteria produce corrente separando il movimento degli ioni da quello degli elettroni. Durante la scarica, gli ioni di litio passano dall’anodo al catodo attraversando l’elettrolita; gli elettroni, invece, non possono percorrere la stessa strada e devono attraversare il circuito esterno. È proprio tale flusso a fornire energia al dispositivo collegato. Durante la fase di ricarica, una tensione applicata dall’esterno forza il processo nella direzione opposta.

Il litio risulta particolarmente adatto perché è il metallo più leggero e possiede un potenziale elettrochimico molto negativo. Ogni atomo può cedere facilmente un elettrone; rapportata alla massa, la reazione offre quindi una quantità di energia elevata. Se si considerasse soltanto il litio attivo, l’energia teoricamente disponibile sarebbe paragonabile a quella liberata dalla combustione della benzina.

La maggior parte del peso serve a controllare la reazione

Una cella reale, però, contiene molto altro. L’anodo convenzionale usa grafite, nella quale gli ioni si inseriscono tra piani di atomi di carbonio formando approssimativamente il composto LiC6. Il catodo richiede una struttura cristallina capace di ospitare reversibilmente il litio: può trattarsi, per esempio, di litio ferro fosfato oppure di ossidi stratificati contenenti nichel, manganese e cobalto. A tutto ciò si aggiungono elettrolita, separatore, collettori di corrente in rame e alluminio, leganti, additivi conduttivi, involucro, terminali e dispositivi di sicurezza.

Brian Potter riferisce una stima eloquente: nel 2019, per ogni grammo di litio coinvolto nella reazione, una cella poteva richiedere circa 70 grammi di materiali di supporto. Il rapporto varia in funzione della chimica e negli anni è migliorato, ma rende bene l’idea. La maggior parte della batteria non immagazzina direttamente energia; serve a rendere la reazione controllabile, reversibile e utilizzabile per centinaia o migliaia di cicli.

Un’automobile a benzina gode inoltre di un vantaggio spesso ignorato: per bruciare un chilogrammo di carburante servono indicativamente circa 3,5 chilogrammi di ossigeno, ma il veicolo non deve trasportarli: li preleva dall’atmosfera. Una batteria, al contrario, porta sempre con sé il materiale del catodo che accoglierà gli elettroni e gli ioni. Anche eliminando componenti superflui, una quota importante della massa verrà comunque conservata.

L’elettrolita liquido non trasporta elettroni

Nelle celle agli ioni di litio più diffuse, l’elettrolita consiste in sali di litio, spesso LiPF6, disciolti in solventi organici come carbonati ciclici e lineari: il liquido conduce gli ioni ma deve bloccare gli elettroni.

Tra anodo e catodo si trova inoltre un separatore microporoso, generalmente realizzato in polietilene o polipropilene: lascia passare gli ioni attraverso i pori impregnati di elettrolita e impedisce il contatto fisico tra gli elettrodi.

Il problema è che i solventi organici sono volatili e infiammabili; in caso di cortocircuito interno, sovraccarica, perforazione o surriscaldamento possono alimentare una sequenza di reazioni esotermiche. Quando la temperatura supera determinate soglie, si degradano l’interfaccia protettiva dell’anodo, l’elettrolita e infine alcuni materiali catodici, che possono rilasciare ossigeno. Si innesca così la fuga termica, un processo autoalimentato difficile da interrompere.

Le batterie attuali integrano numerose contromisure: valvole di sfogo, separatori che chiudono i pori quando si scaldano, sensori di temperatura, fusibili, sistemi elettronici di gestione e algoritmi che limitano corrente, tensione e stato di carica. Una cella agli ioni di litio ben progettata è affidabile; tuttavia, l’energia concentrata in uno spazio ridotto rende impossibile eliminare del tutto i rischi.

Il problema delle dendriti e il richiamo storico di Moli Energy

Durante la ricarica, gli ioni di litio dovrebbero rientrare ordinatamente sull’anodo di grafite. Correnti elevate, basse temperature, sovraccarica o distribuzioni non uniformi della corrente possono però favorire il deposito di litio metallico sulla superficie dell’anodo: il fenomeno prende il nome di lithium plating. Il metallo non forma sempre uno strato compatto: può crescere in strutture ramificate, simili a piccoli alberi, chiamate dendriti.

Se una ramificazione attraversa il separatore e raggiunge il catodo, crea un collegamento elettrico interno. La corrente che attraversa il filamento lo riscalda rapidamente; la dendrite può fondere e interrompersi, ma il calore prodotto può già aver danneggiato il separatore o avviato altre reazioni. Non ogni dendrite provoca un incendio ma rappresenta comunque uno dei meccanismi capaci di accelerare il degrado, aumentare l’autoscarica e generare cortocircuiti.

Cosa cambia davvero con un elettrolita solido

Una batteria allo stato solido sostituisce l’elettrolita liquido e il separatore convenzionale con uno strato capace di condurre gli ioni di litio pur rimanendo elettricamente isolante. Gli ioni non hanno bisogno di “nuotare” in un liquido: in un materiale cristallino possono spostarsi saltando tra siti liberi del reticolo.

La conducibilità dipende dalla struttura atomica, dalla concentrazione di difetti, dalla temperatura e dalla facilità con cui il litio attraversa le interfacce. Un buon elettrolita solido deve avvicinarsi alla conducibilità ionica dei liquidi, rimanere stabile alle tensioni operative, aderire agli elettrodi, non reagire con il litio metallico e sopportare le variazioni di volume che accompagnano carica e scarica. Cercare tutte queste proprietà in uno stesso materiale è molto difficile.

Il vantaggio più importante non consiste quindi nello stato fisico in sé. Un materiale solido robusto potrebbe permettere di rimuovere la grafite e utilizzare direttamente un sottile foglio di litio metallico; alcune architetture anode-free rinunciano persino al foglio e depositano il litio su un collettore durante la prima carica.

La capacità teorica specifica del litio metallico raggiunge circa 3.860 mAh/g, contro circa 372 mAh/g della grafite. Non significa ottenere automaticamente una batteria dieci volte più capiente, perché il catodo e gli altri componenti restano necessari, ma il guadagno a livello di cella può diventare significativo.

L’eliminazione dei solventi organici riduce inoltre la quantità di materiale infiammabile: la sicurezza dipende comunque dalla chimica completa della cella, dalla qualità delle interfacce e dal progetto del pacco batteria.

Solfuri, ossidi, polimeri e alogenuri: non esiste una sola batteria solida

Con l’espressione “stato solido” si raggruppano tecnologie molto diverse.

Gli elettroliti a base di solfuri, tra cui argiroditi come Li6PS5Cl e conduttori della famiglia LGPS, possono raggiungere a temperatura ambiente conducibilità ioniche vicine a quelle degli elettroliti liquidi. Sono anche relativamente morbidi e si possono comprimere contro gli elettrodi, ottenendo un buon contatto. Il rovescio della medaglia riguarda la sensibilità all’umidità: alcuni composti reagiscono con l’acqua e possono liberare idrogeno solforato, gas tossico. La produzione richiede quindi ambienti estremamente asciutti e procedure rigorose.

Gli ossidi ceramici, come Li7La3Zr2O12, offrono buona stabilità termica e possono risultare più tolleranti all’aria. Sono però rigidi e fragili. Fabbricare membrane sottili, prive di pori e difetti, mantenendo un contatto uniforme con elettrodi che cambiano volume, è tutt’altro che banale. Anche una piccola cavità può concentrare la corrente e favorire il deposito irregolare del litio.

Gli elettroliti polimerici sono flessibili e compatibili con processi industriali simili a quelli impiegati per film e rivestimenti. Materiali basati su PEO, però, conducono bene soprattutto a temperature superiori a quella ambiente; inoltre, stabilità alle alte tensioni e resistenza meccanica possono non bastare per bloccare la crescita del litio.

Per questi motivi, molte proposte combinano polimeri, particelle ceramiche e piccole quantità di liquido, collocandosi in una zona intermedia tra celle completamente solide e soluzioni ibride.

Perché tutti continuano a provarci

La risposta sta nel valore del premio finale. Anche un incremento del 20-30% nella densità energetica permetterebbe di aumentare l’autonomia senza ingrandire la batteria oppure di mantenere la stessa autonomia riducendo peso, materiali e costi strutturali. Per l’aviazione elettrica, i droni, la robotica e i dispositivi portatili, ogni chilogrammo risparmiato conta ancora di più.

Una chimica meno infiammabile potrebbe semplificare alcuni sistemi di protezione e ridurre la propagazione termica tra celle. La possibilità di abbinare litio metallico e catodi ad alta capacità apre poi una strada oltre i miglioramenti incrementali delle attuali batterie agli ioni di litio. Sono vantaggi tali da giustificare molti tentativi, anche sapendo che soltanto una parte delle tecnologie arriverà sul mercato.

Non bisogna però immaginare una sostituzione improvvisa. Le batterie tradizionali continuano a progredire: celle LFP più economiche, catodi ricchi di manganese, anodi con percentuali crescenti di silicio, formati strutturali cell-to-pack e sistemi di ricarica più efficienti riducono il margine disponibile per i concorrenti. Quando le prime batterie solide entreranno nei veicoli, dovranno competere con la generazione futura delle celle liquide, non con prodotti progettati dieci anni prima.