Che cosa è una batteria a stato solido e risolveranno i nostri problemi di durata della batteria?

La tecnologia mobile sta aumentando in modo esponenziale in termini di potenza, ma la tecnologia della batteria non regge il confronto. Stiamo raggiungendo i limiti fisici di ciò che possono fare i convenzionali design agli ioni di litio e ai polimeri di litio. La soluzione potrebbe essere qualcosa chiamata batteria allo stato solido.

Cos'è una batteria allo stato solido?

In un progetto di batteria convenzionale, più comunemente gli elettrodi di metallo solido a due agli ioni di litio vengono utilizzati con un sale di litio liquido che agisce come un elettrolito. Le particelle ioniche si spostano da un elettrodo (il catodo) all'altro (l'anodo) mentre la batteria si carica e al contrario mentre si scarica. L'elettrolito liquido al sale di litio è il mezzo che consente quel movimento. Se hai mai visto una batteria corrodersi o forare, l'acido della batteria che trasuda (o talvolta esplode) è l'elettrolito liquido.

In una batteria allo stato solido, sia gli elettrodi positivi che quelli negativi e l'elettrolito tra loro sono pezzi solidi di metallo, lega o qualche altro materiale sintetico. Il termine "stato solido" potrebbe ricordare le unità di dati SSD e questa non è una coincidenza. Le unità di archiviazione a stato solido utilizzano la memoria flash, che non si muove, a differenza di un disco rigido standard, che memorizza i dati su un disco magnetico rotante alimentato da un minuscolo motore.

Anche se l'idea delle batterie a stato solido è in circolazione da decenni, i progressi nel loro sviluppo stanno appena cominciando, attualmente stimolati da investimenti da aziende di elettronica, produttori di automobili e fornitori industriali generali.

Cosa c'è di meglio delle batterie a stato solido?

Le batterie a stato solido promettono alcuni vantaggi distinti rispetto ai loro cugini pieni di liquido: migliore durata della batteria, tempi di ricarica più rapidi e un'esperienza più sicura.

Le batterie allo stato solido comprimono l'anodo, il catodo e l'elettrolita in tre strati piatti invece di sospendere gli elettrodi in un elettrolita liquido. Ciò significa che puoi renderli più piccoli, o almeno più lusinghieri, pur mantenendo la stessa energia di una batteria a base di liquidi più grande. Pertanto, se si sostituisce la batteria agli ioni di litio o ai polimeri di litio del telefono o del portatile con una batteria allo stato solido della stessa dimensione, si otterrebbe una carica molto più lunga. In alternativa, puoi creare un dispositivo che abbia la stessa carica molto più piccolo o più sottile.

Le batterie allo stato solido sono anche più sicure, dal momento che non ci sono liquidi tossici e infiammabili da versare e non emettono più calore delle normali batterie ricaricabili. Se applicati a batterie che alimentano l'elettronica corrente o persino le auto elettriche, potrebbero ricaricarsi molto più velocemente, gli ioni potrebbero spostarsi molto più rapidamente dal catodo all'anodo.

Secondo le ultime ricerche, una batteria allo stato solido potrebbe superare le batterie ricaricabili convenzionali del 500% o più in termini di capacità e ricaricare in un decimo del tempo.

Quali sono gli svantaggi?

Poiché le batterie a stato solido sono una tecnologia emergente, sono incredibilmente costose da produrre. Così costosi, infatti, che non sono installati in nessuna delle principali apparecchiature elettroniche di consumo al momento della scrittura. Nel 2012, gli analisti che scrivono per il reparto Analisi software e Elaborazione avanzata materiali della University of Florida hanno stimato che una tipica batteria allo stato solido delle dimensioni di un telefono cellulare costerebbe circa $ 15.000 per la produzione. Uno abbastanza grande per alimentare un'auto elettrica costerebbe $ 100.000.

Fare una batteria allo stato solido grande abbastanza per alimentare il tuo telefono costa migliaia di dollari oggi.

Una parte di questo è dovuta al fatto che le economie di scala non sono disponibili: centinaia di milioni di batterie ricaricabili vengono prodotte ogni anno proprio in questo momento, quindi il costo di produzione dei materiali e delle apparecchiature è distribuito su enormi linee di alimentazione. Ci sono solo poche aziende e università che ricercano batterie allo stato solido, quindi il costo per produrle è astronomico.

Un altro problema sono i materiali. Mentre le proprietà di vari metalli, leghe e sali metallici usati per le batterie ricaricabili convenzionali sono ben note, attualmente non conosciamo la migliore composizione chimica e atomica per un elettrolito solido tra anodi metallici e catodi. La ricerca attuale sta restringendo questa tendenza, ma dobbiamo raccogliere dati più affidabili prima di poter raccogliere o sintetizzare i materiali e investire nei processi di produzione.

Quando potrò utilizzare una batteria allo stato solido?

Come per tutte le tecnologie emergenti, cercare di capire quando ci metterete le mani è una supposizione al meglio.

È incoraggiante che molte società enormi stiano investendo nella ricerca necessaria per portare le batterie allo stato solido nel mercato dei consumatori, ma a parte un importante passo avanti nell'immediato futuro, è difficile dire se ci sarà un grande balzo in avanti. Almeno una compagnia automobilistica dice che sarà pronta a metterne una in un veicolo entro il 2023, ma non indovina quanto potrebbe costare quella macchina. Cinque anni sembrano eccessivamente ottimisti; dieci anni sembrano più probabili. Potrebbero essere trascorsi vent'anni o più prima che i materiali vengano sistemati e vengano sviluppati i processi produttivi.

Ma come abbiamo detto all'inizio dell'articolo, la tecnologia della batteria convenzionale sta iniziando a colpire un muro. E non c'è niente come vendite potenziali per stimolare la ricerca e lo sviluppo. È almeno leggermente (molto, molto poco) possibile che tu possa essere in grado di usare un gadget o guidare un'automobile alimentata da una batteria allo stato solido presto.

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