Indicate con l’acronimo SSB (Solid State Battery), le batterie allo stato solido sono accumulatori elettrici; con elevata densità di energia e dimensioni geometriche relativamente contenute.
Ciò che le rende tecnologicamente più evolute, rispetto alle più comuni batterie agli ioni di Litio, è la tipologia di elettrolita utilizzato.
L’elettrolita è la sostanza che, contenuta nell’involucro della batteria, separa il polo negativo (anodo) dal polo positivo (catodo). Le proprietà elettrochimiche dell’elettrolita sono tali da garantirne la separazione, delle proprie molecole, in ioni positivi e ioni negativi.
Mentre nelle più comuni batterie agli ioni di Litio, sono utilizzate soluzioni di sali fusi; nelle batterie SSB l’elettrolita è una sostanza solida.
L’elettrolita solido, oltre ad offrire una maggiore densità di energia, garantisce una maggiore sicurezza dell’accumulatore elettrico.
Inoltre, l’elettrolita solido elimina i rischi di pericolose fuoriuscite di liquidi con elevato tasso di acidità e riduce notevolmente il pericolo d’infiammabilità delle batterie.
Le SSB, con dimensioni geometriche e peso notevolmente ridotte, a parità di densità di energia, sono particolarmente idonee per rispondere alle esigenze della mobilità elettrica.
Con le politiche energetiche europee improntate verso la de-carbonizzazione, per ottenere la neutralità climatica entro il 2050 come stabilito dal Green New Deal Europeo, le SSB rappresentano uno strumento fondamentale per la mobilità e lo storage energetico.
Energia con una “solida” struttura:
A differenza di quanto avviene per le comuni batterie agli ioni di Litio, dove l’elettrolita può essere una soluzione di sali fusi, nelle batterie SSB è realizzato con un materiale solido.
Analizzando la struttura interna, di una batteria SSB, possono essere individuati tre elementi con struttura solida; indicati come:
- Catodo:
Corrisponde all’elettrodo positivo della batteria e può essere realizzato con diversi composti come LFP (Litio-Ferro-Fosfato), NMC (Nichel- Manganese-Cobalto) e LMO (Litio-Manganese-Ossido).
- Elettrolita:
Può essere realizzato con un materiale ceramico, che rende le batterie particolarmente rigide, o con materiali polimerici solidi con caratteristiche fisiche più flessibili.
- Anodo:
Coincide con l’elettrodo negativo della batteria e può essere realizzato con Litio metallico puro.
L’elettrolita, necessario per separare elettricamente l’anodo dal catodo, può essere realizzato con diverse tipologie di materiali allo stato solido; ma con proprietà meccaniche diverse.
Se si utilizza un materiale polimerico solido, con caratteristiche meccaniche flessibili, si possono realizzare batterie SSB con dimensioni e forme in grado di adattarsi alle dimensioni geometriche degli alloggiamenti che dovranno ospitarle; tipico caso delle batterie destinate all’auto-motive.
Al contrario, utilizzando un materiale ceramico per realizzare l’elettrolita, si ottengono batterie con caratteristiche meccaniche particolarmente rigide.
L’elettrolita ha il compito di separare elettricamente l’anodo dal catodo, impedendo che le cariche elettriche possano muoversi all’interno della batteria.
Con le batterie allo stato solido, la tecnologia degli accumulatori elettrici ha compiuto un notevole balzo in avanti.
Il funzionamento di una batteria SSB:
Caratterizzate da una maggiore densità di energia, le batterie SSB hanno un principio di funzionamento del tutto analogo alle altre categorie di batterie.
Durante la fase di carica, è applicata una tensione ai suoi capi; necessaria a generare la differenza di potenziale tra anodo e catodo.
Per effetto della differenza di potenziale gli elettroni, con carica elettrica negativa, si muovono, attraverso il materiale dielettrico, dal catodo verso l’anodo.
Quando il ciclo di carica è terminato, si può ritenere che la batteria ha raggiunto uno stato di equilibrio elettrochimico.
Sulla superficie dell’anodo, con potenziale elettrico negativo, si avrà un’elevata densità di elettroni. Al contrario, sulla superficie del catodo, con potenziale elettrico positivo, si ha un’elevata densità di protoni con carica elettrica positiva.
L’Elettrolita, posto fisicamente tra l’anodo e il catodo della batteria, permette il passaggio delle cariche elettriche, dal catodo verso l’anodo, solo quando ai capi della batteria è applicata la tensione di carica.
Durante la fase di scarica, concettualmente avviene il processo inverso a quanto descritto per la fase di carica.
Quando ai capi della batteria è applicato un carico, come può essere il motore a induzione di un’auto elettrica, le cariche elettriche negative migrano dall’anodo verso il catodo attraverso il circuito esterno.
Vantaggi e svantaggi delle batterie SSB:
Le batterie allo stato solido, attraverso l’utilizzo del materiale dielettrico allo stato solido, sono caratterizzate da una densità di energia circa due o tre volte superire a quella fornita dagli accumulatori agli ioni di Litio.
La densità energetica superiore, rispetto alle batterie agli ioni di Litio, permette di realizzare accumulatori SSB con dimensioni e peso notevolmente ridotto.
L’utilizzo dell’elettrolita allo stato solido, anziché in soluzione salina, permette di eliminare il rischio di fuoriuscita di sostanze acide e dannose; rendendo gli accumulatori SSB notevolmente più sicuri e con minor impatto ambientale.
Ovviamente le batterie SSB sono caratterizzate anche da alcuni svantaggi, che tuttavia la ricerca cerca di colmare.
Rispetto alle batterie agli ioni di Litio, utilizzate per i sistemi di storage dell’energia, per le quali la durata del ciclo di vita è stimata in circa diecimila cicli di carica e scarica; le batterie SSB mostrano, in questa prima fase, una durata stimata di circa mille cicli di carica e scarica.
Con le attività di ricerca e sviluppo, condotte da molte tra le più note case automobilistiche, tra cui il gigante nipponico Toyota; si ambisce sia a incrementare la vita utile degli accumulatori SSB, sia di ridurre il costo di fabbricazione.
Gianni Truini
