Le batterie allo stato solido potrebbero sostituire le batterie al litio e diventare di uso comune. Questa tecnologia ha fatto molti progressi ma non è ancora stata industrializzata.

Essendo il "cuore" dei veicoli elettrici, le batterie hanno attirato molta attenzione. Le batterie agli ioni di litio sono state accolte con favore dall'industria dei veicoli a nuova energia e hanno ottenuto un notevole sviluppo grazie alla loro elevata densità energetica, al basso tasso di autoscarica, all'elevata efficienza del ciclo e alla lunga durata del ciclo.

Tuttavia, l'attuale tecnologia delle batterie agli ioni di litio non è ancora matura e sussiste ancora il problema della sicurezza instabile. I recenti e frequenti incendi hanno sollevato dubbi sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Si prevede che la tecnologia delle batterie allo stato solido diventerà una nuova opzione per risolvere i problemi di sicurezza dei veicoli elettrici.

Negli ultimi anni si sono verificati frequentemente incidenti su larga scala con le batterie, dovuti in gran parte all'uso di elettroliti liquidi al loro interno. Le batterie agli ioni di litio commerciali utilizzano generalmente elettroliti liquidi organici, che sono infiammabili e possono perdere liquido, causando inquinamento ambientale. Gli elettroliti solidi non sono infiammabili e non producono elettroliti liquidi, quindi non sono corrosivi. La sostituzione dell'elettrolita liquido con quello solido è riconosciuta come uno dei metodi più efficaci per migliorare la sicurezza delle batterie al litio.

Le batterie al litio allo stato solido sono entrate in una fase di progettazione, ricerca e sviluppo accelerata a livello globale e molte istituzioni note stanno sviluppando batterie al litio allo stato solido. Molti produttori di batterie e di automobili, tra cui la sudcoreana Samsung, la giapponese Toyota e la mia nazionale CATL, hanno aumentato i loro investimenti nella ricerca e nello sviluppo di batterie allo stato solido, e alcune batterie sono entrate nella fase di installazione e collaudo sui veicoli. Sebbene le prospettive siano promettenti, la strada per lo sviluppo di batterie allo stato solido non è affatto agevole a causa di vari problemi tecnici e di processo.

Gli elettroliti solidi utilizzati nelle attuali batterie allo stato solido presentano generalmente carenze in termini di prestazioni e sono ancora ben lontani dal soddisfare i requisiti dei sistemi di batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni. Un'altra sfida importante che le batterie allo stato solido devono attualmente affrontare è il trattamento dell'interfaccia tra elettroliti solidi ed elettrodi. Negli elettroliti solidi, l'impedenza di trasferimento degli ioni di litio è molto elevata, l'area di contatto dell'interfaccia rigida con l'elettrodo è piccola e la variazione del volume dell'elettrolita durante la carica e la scarica può facilmente distruggere la stabilità dell'interfaccia.

Inoltre, nelle batterie al litio allo stato solido, oltre all'interfaccia tra l'elettrolita e l'elettrodo, sono presenti anche complesse interfacce multilivello all'interno dell'elettrodo. Fattori quali l'elettrochimica e la deformazione possono causare guasti ai contatti e influire sulle prestazioni della batteria.

Anche la scarsa stabilità durante l'uso a lungo termine rappresenta un ostacolo allo sviluppo di batterie allo stato solido per l'accumulo di energia a lunga durata. La struttura e l'interfaccia delle batterie allo stato solido si degradano nel tempo durante l'uso, ma il meccanismo con cui tale degradazione influisce sulle prestazioni complessive della batteria non è ancora chiaro, il che rende difficile ottenere un'applicazione a lungo termine.

Solo risolvendo radicalmente i problemi chiave relativi ai materiali e alle interfacce potremo condurre una ricerca sistematica sui processi per soddisfare i requisiti prestazionali delle singole celle. Attualmente stanno emergendo diverse nuove tecnologie e alcune tecnologie relative alle batterie allo stato solido hanno fatto nuovi progressi.

Per quanto riguarda i materiali elettrolitici solidi, il settore ha scoperto che le batterie allo stato solido basate sul sistema elettrolitico solido al litio, lantano, ossido di zirconio e ossido di lantanio (LLZO) con struttura a granato hanno eccellenti prestazioni di ciclo e velocità, diventando quindi un importante punto di riferimento tecnico. LLZO è un riempitivo dalle eccellenti prestazioni in grado di migliorare le prestazioni degli elettroliti solidi compositi a base di polimeri. La batteria allo stato solido basata su LLZO può mantenere l'81% della sua capacità dopo 1.000 cicli.

Un'altra idea per un materiale elettrolitico è quella di utilizzare uno scheletro polimerico rigido e particelle inorganiche combinate con materiali di trasporto ionico polimerici flessibili. Grazie alle interazioni acido-base di Lewis tra polimeri e tra polimeri e particelle inorganiche, è possibile creare nuovi canali per il trasporto degli ioni di litio, migliorando notevolmente le prestazioni complessive dell'elettrolita.

Gli ambiti di ricerca più importanti del trattamento delle interfacce sono concentrati principalmente sulla progettazione dell'interfaccia e sul livello di modifica. Attualmente, la progettazione dell'interfaccia di gelificazione ha ottenuto buoni risultati. Modificando l'interfaccia con un polimero allo stato di gel, è possibile aumentare l'area di contatto tamponando al contempo l'effetto volume durante il ciclo. Dopo 300 cicli a temperatura ambiente, non si verifica praticamente alcuna degradazione. Questa progettazione strutturale migliora notevolmente le prestazioni della batteria.

In generale, la ricerca sulle batterie allo stato solido è ancora di tipo accademico. In termini di industrializzazione, alcune tecnologie chiave coinvolgono le tecnologie di base di varie aziende e non possono essere ottenute, con conseguente necessità di un'ulteriore esplorazione di tecnologie basate su applicazioni ingegneristiche.

Vincitore del Qingyun Plan di Toutiao e del Bai+ Plan di Baijiahao, del Baidu Digital Author of the Year 2019, del Baijiahao's Most Popular Author in the Technology Field, del Sogou Technology and Culture Author 2019 e del Baijiahao Quarterly Influential Creator 2021, ha vinto numerosi premi, tra cui il Sohu Best Industry Media Person 2013, il China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, il Guangmang Experience Award 2015, il China New Media Entrepreneurship Competition Finals 2015 e il Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.