La spinta verso la riduzione delle emissioni di CO₂ e la lotta al cambiamento climatico ha portato a un'impennata nell'adozione dei veicoli elettrici (EV). Tuttavia, la ricerca di un'autonomia maggiore e di tempi di ricarica più rapidi evidenzia la continua necessità di batterie ad alte prestazioni. Allo stesso tempo, è fondamentale garantire che queste batterie siano economicamente vantaggiose, dato che attualmente rappresentano quasi la metà del prezzo di un veicolo elettrico. Pertanto, i materiali utilizzati in queste batterie giocano un ruolo fondamentale nel determinare sia le prestazioni che l'accessibilità.

Ecco le batterie allo stato solido. Queste batterie utilizzano un materiale elettrolitico solido attraverso il quale gli ioni fluiscono durante la carica e la scarica, invece dell'elettrolita liquido utilizzato nelle batterie agli ioni di litio tradizionali. Ciò offre potenziali vantaggi, come una maggiore densità di energia e una minore suscettibilità agli incendi. A livello di materiali, la maggiore densità energetica della cella deriva dall'introduzione di un anodo sottile in litio-metallo e di un separatore di elettrolita solido sufficientemente sottile. Tuttavia, lo sviluppo di un'architettura economicamente vantaggiosa per la loro produzione di massa è rimasto difficile da realizzare.

Ora, nell'ambito del progetto SOLiDIFY, il consorzio ha creato un prototipo di batteria litio-metallo allo stato solido ad alte prestazioni. La pouch cell, prodotta nel laboratorio di batterie all'avanguardia di EnergyVille a Genk/Belgio, ha raggiunto un'elevata densità energetica di 1070 Wh/L, rispetto agli 800 Wh/L delle attuali tecnologie di batterie agli ioni di litio. L'alta densità energetica è stata ottenuta combinando un catodo spesso ad alta densità energetica (NMC, contenente nichel, manganese e cobalto) separato da un anodo sottile al litio-metallo da un sottile separatore di elettrolito solido. Inoltre, con un processo di produzione gestibile a temperatura ambiente, adattabile alle attuali linee di produzione di batterie agli ioni di litio e con un costo previsto inferiore a 150 euro per kWh, questo processo promette di essere trasferito a livello industriale a prezzi accessibili.

Questo risultato è stato ottenuto grazie a un'attenta valutazione e ottimizzazione di nuovi materiali e rivestimenti avanzati, forniti dai partner. Per l'elettrolita del prototipo è stato utilizzato un materiale nanocomposito solido a base di liquido ionico polimerizzato, che ha consentito un approccio unico di solidificazione "da liquido a solido", per il quale l'Empa ha presentato una domanda di brevetto. Questo approccioha ha permesso di creare un separatore sottile di 20 μm, di utilizzare un catodo spesso di 100 μm e di ottenere una pila di celle compatta. Inoltre, il consorzio ha superato i problemi di resistenza meccanica e di impregnazione del catodo per aumentare la velocità di carica della cella a 3 ore e la durata a 100 cicli. Rispetto ad altri elettroliti allo stato solido, la cella termicamente stabile ha ridotto l'infiammabilità, migliorando la sicurezza. L'applicazione di rivestimenti protettivi di spessore nanometrico ha consentito l'uso di catodi NMC a base di cobalto, riducendo l'impatto ambientale e fornendo al contempo una maggiore capacità. Le prossime tappe prevedono l'ulteriore aumento di scala di questa tecnologia di batterie ad alte prestazioni.

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Il progetto SOLiDIFY H2020 comprendeva lo sviluppo di una tecnologia di batteria al litio-metallo allo stato solido fabbricabile, basata su un elettrolita solido trasformato da liquido a solido e impregnato negli elettrodi, che offre molteplici vantaggi per quanto riguarda le prestazioni della cella e la produzione su larga scala, in relazione diretta con il costo della cella. Il consorzio SOLiDIFY è composto dai centri di ricerca imec/EnergyVille (Belgio), Fraunhofer (Germania), Centro Ricerche Fiat SCPA (Italia), Empa (Svizzera), Hasselt University/EnergyVille (Belgio) e Delft University of Technology (Paesi Bassi); nonché i partner industriali VDL Groep (Paesi Bassi), Umicore (Belgio), Solith (Italia), SOLVIONIC (Francia), Sidrabe (Lettonia), Leclanché (Svizzera), Gemmate Technologies (Italia) e Powall (Paesi Bassi). Il progetto è stato finanziato dal programma di ricerca e innovazione dell'UE Horizon 2020 ed è stato coordinato dall'imec. Ulteriori informazioni sul progetto sono disponibili sul sito www.solidify-h2020.eu.