Contenuto

• Risparmio di spazio
• Durata della vita più lunga
• Tipi di elettroliti a stato solido
• Batterie a film sottile
• Batterie più grandi e più grandi
• Altamente conduttivo
• Incartare

Un paio di settimane fa, Kris ci ha fatto conoscere il tema delle batterie a stato solido e come potrebbero essere il prossimo grande progresso nella tecnologia delle batterie per smartphone. In breve, le batterie a stato solido sono più sicure, possono contenere più succo e possono essere utilizzate per dispositivi ancora più sottili. Sfortunatamente, sono proibitivamente costosi da mettere in celle per smartphone di medie dimensioni in questo momento, ma ciò potrebbe cambiare nei prossimi anni.

Quindi, se ti stai chiedendo cosa sia esattamente una batteria a stato solido e come sia diversa dalle celle agli ioni di litio di oggi, continua a leggere.

La differenza chiave tra la batteria agli ioni di litio comunemente usata e una batteria a stato solido è che la prima utilizza una soluzione elettrolitica liquida per regolare il flusso di corrente, mentre le batterie a stato solido optano per un elettrolita solido. L'elettrolita di una batteria è una miscela chimica conduttiva che consente il flusso di corrente tra l'anodo e il catodo.

Le batterie allo stato solido funzionano ancora allo stesso modo delle batterie attuali, ma la modifica dei materiali modifica alcuni degli attributi della batteria, tra cui la massima capacità di conservazione, i tempi di ricarica, le dimensioni e la sicurezza.

La corrente all'interno di una batteria passa tra l'anodo e il catodo attraverso un elettrolita conduttivo, mentre i separatori vengono utilizzati per prevenire un corto circuito.

Risparmio di spazio

Il vantaggio immediato del passaggio da un elettrolita liquido a solido è che la densità di energia della batteria può aumentare. Questo perché invece di richiedere grandi separatori tra le celle liquide, le batterie a stato solido richiedono solo barriere molto sottili per prevenire un corto circuito.

Le batterie a stato solido possono assorbire il doppio dell'energia rispetto agli ioni di litio

I separatori di batteria tradizionali imbevuti di liquido arrivano con uno spessore di 20-30 micron. La tecnologia a stato solido può ridurre i separatori fino a 3-4 micron ciascuno, un risparmio di spazio di circa 7 volte semplicemente cambiando i materiali.

Tuttavia, questi separatori non sono l'unico componente all'interno della batteria e altri bit non possono ridursi tanto, ponendo un limite al potenziale di risparmio di spazio delle batterie a stato solido.

Anche così, le batterie a stato solido possono assorbire fino al doppio dell'energia rispetto agli ioni di litio, quando si sostituisce l'anodo con un'alternativa più piccola.

Durata della vita più lunga

Gli elettroliti a stato solido sono in genere meno reattivi rispetto al liquido o al gel di oggi, quindi possono durare molto più a lungo e non dovranno essere sostituiti dopo solo 2 o 3 anni. Ciò significa anche che queste batterie non esploderanno né si incendieranno se sono danneggiate o presentano difetti di fabbricazione, il che significa prodotti più sicuri per i consumatori.

Le batterie a stato solido non esploderanno o non incendieranno se danneggiate o difettose da difetti di fabbricazione.

Negli attuali smartphone, le batterie sostituibili sono spesso ricercate per coloro che desiderano utilizzare lo stesso telefono per molti anni, poiché possono essere sostituite una volta che iniziano a guastarsi.

Le batterie degli smartphone spesso non si caricano neanche dopo circa un anno e possono persino rendere instabile, ripristinare o addirittura smettere di funzionare l'hardware dopo diversi anni di utilizzo. Con batterie a stato solido, smartphone e altri gadget potrebbero durare molto più a lungo senza la necessità di una cellula sostitutiva.

Esistono molti composti chimici solidi che potrebbero essere utilizzati nelle batterie, non solo uno.

Parlare di batterie liquide rispetto a batterie solide è una semplificazione eccessiva del soggetto, poiché ci sono molti composti chimici solidi che potrebbero essere utilizzati nelle batterie, non solo uno.

Tipi di elettroliti a stato solido

Esistono otto diverse categorie principali di batterie a stato solido, ognuna delle quali utilizza materiali diversi per l'elettrolito. Questi sono Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-like, Garnet, Argyrodite, LiPON e LISICON-like.

Dato che abbiamo ancora a che fare con una tecnologia emergente, i ricercatori stanno ancora facendo i conti con i migliori tipi di elettrolita a stato solido da utilizzare per diverse categorie di prodotti. Nessuno è ancora emerso come leader chiaro, ma le celle a base di solfuro, LiPON e Garnet sono attualmente considerate le più promettenti.

Probabilmente avrai notato che molti di questi tipi sono ancora basati sul litio (Li) in qualche modo, perché usano ancora elettrodi di litio. Ma molti stanno optando per nuovi materiali per elettrodi di anodo e catodo per migliorare le prestazioni.

Batterie a film sottile

Anche nei tipi di batterie a stato solido, esistono due sottotipi chiaramente definiti: film sottile e massa. Uno dei tipi di film sottile di maggior successo che è già sul mercato è LiPON, che la maggior parte dei produttori produce con un anodo al litio.

L'elettrolito LiPON offre eccellenti caratteristiche di peso, spessore e persino flessibilità, rendendolo un promettente tipo di cella per l'elettronica indossabile e gadget che richiedono celle di piccole dimensioni. Tornando al tema delle celle più durature, LiPON ha anche dimostrato un'eccellente stabilità con solo una riduzione della capacità del 5% dopo 40.000 cicli di carica.

Le batterie LiPON potrebbero durare da 40 a 130 volte più a lungo delle batterie agli ioni di litio prima che debbano essere sostituite.

Per fare un confronto, le batterie agli ioni di litio offrono solo tra 300 e 1000 cicli prima di mostrare una caduta di capacità simile o maggiore. Ciò significa che le batterie LiPON potrebbero durare da 40 a 130 volte più a lungo delle batterie agli ioni di litio prima che debbano essere sostituite.

Il rovescio della medaglia di LiPON è che la sua capacità di accumulo di energia totale e conducibilità sono piuttosto scarse al confronto. Tuttavia, tecnologie alternative per batterie a stato solido potrebbero essere la chiave per prolungare la durata della batteria degli smartwatch, il che al momento sta scoraggiando un certo numero di clienti dal ritirare un dispositivo indossabile.

Batterie più grandi e più grandi

Finora, le batterie a stato solido non sono ancora adatte per celle più grandi che si trovano in smartphone e tablet, per non parlare di laptop o auto elettriche. Per batterie a stato solido di grandi dimensioni con una maggiore capacità, è richiesta una conduttività superiore che si avvicina o corrisponde agli elettroliti liquidi, il che esclude tecnologie altrimenti promettenti come LiPON. La conduzione ionica misura la capacità degli ioni di muoversi attraverso un materiale e una buona conduzione è un requisito delle celle più grandi per garantire la corrente richiesta.

LISICON e LiPS hanno superato la ricerca sulle batterie LiPO, LiS e SiS, i precedenti leader nel campo dello stato solido. Tuttavia, questi tipi soffrono ancora di conducibilità inferiore rispetto agli elettroliti organici e liquidi a temperatura ambiente, il che li rende poco pratici per i prodotti commerciali.

Altamente conduttivo

È qui che entra in gioco la ricerca sugli elettroliti di ossido di granato (LLZO), poiché vanta un'alta conduttività ionica a temperatura ambiente.

Il materiale raggiunge una conduzione che arriva solo leggermente dietro i risultati offerti dalle celle agli ioni di litio liquidi e nuovi studi su LGPS suggeriscono che questo materiale potrebbe persino abbinarlo.

Ciò significherebbe batterie a stato solido di potenza e capacità pressoché uguali a quelle delle attuali celle agli ioni di litio, mentre i vantaggi di dimensioni ridotte e durata della vita diventano realtà.

Il granato è stabile anche in aria e acqua, il che lo rende adatto anche alle batterie Li-Air. Purtroppo deve essere fabbricato usando un costoso processo di sinterizzazione.

Questo attualmente lo rende una proposta poco attraente per l'uso in batterie di consumo rispetto al basso costo delle celle agli ioni di litio. In futuro, i costi probabilmente diminuiranno man mano che le tecniche di produzione vengono perfezionate, ma siamo ancora lontani da una batteria a stato solido commercialmente valida.

Incartare

Chiaramente ci sono ancora molte ricerche in corso sulla tecnologia delle batterie a stato solido. Non vedremo le cellule mature farsi strada nei prodotti di consumo come gli smartphone per altri 4 o 5 anni, secondo le prime previsioni. Tuttavia, le batterie a stato solido in altri dispositivi (come i droni) potrebbero apparire non appena il prossimo anno.

Tuttavia, l'ultima ricerca sta finalmente producendo risultati che possono competere con le batterie agli ioni di litio esistenti in termini di attributi, fornendo anche i benefici degli elettroliti a stato solido. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno è che i processi di produzione maturino e ci sono un certo numero di produttori di batterie di grandi dimensioni e in arrivo con le risorse per renderlo realtà.

In sintesi, i principali vantaggi di tutte queste differenze chimiche dal punto di vista del consumatore sono: ricarica fino a 6 volte più veloce, densità di energia fino al doppio, durata del ciclo più lunga fino a 10 anni rispetto a 2 e nessun componente infiammabile. Sarà sicuramente un vantaggio per smartphone e altri gadget portatili.