Nuove batterie al litio metallico, pro e contro

Le batterie al litio metallico, come le batterie allo stato solido, utilizzano tecnologie avanzate che puntano a superare i limiti delle attuali batterie agli ioni di litio. Hanno l’anodo composto da litio metallico puro, anziché dalla classica grafite usata nelle batterie agli ioni di litio tradizionali. Questa nuova batteria vanta un’eccellente densità energetica. In termini di volume, può immagazzinare 1 kWh per litro, un valore circa quattro volte superiore rispetto ad una attuale batteria agli ioni di litio. Dal punto di vista del peso, offre una capacità compresa tra 380 e 500 Wh per chilogrammo, una densità di energia superiore a 800 Wh/L, molto maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio con anodo in grafite (500 Wh/L e 200 Wh/kg).

Batterie al litio metallico

Le batterie al litio metallico supportano una ricarica estremamente rapida, permettendo di raggiungere l’80% della capacità in soli 15 minuti. I test di stress sui cicli di carica hanno inoltre dimostrato che la cella conserva oltre l’80% della sua capacità anche dopo 800 cicli. Composte da un elettrodo negativo (anodo) e uno positivo (catodo), le batterie al litio metallico ricaricabili hanno un separatore tra i due poli, più un elettrolita solido che fa da ponte in modo che gli ioni transitino da una parte all’altra. Alcune ricerche evidenziano che può essere impiegato anche un elettrolita liquido: un solvente elettrolitico non polare.

Le batterie al litio metallico della statunitense Factorial hanno celle da 100 Ah che promettono una densità del 50% rispetto alle batterie agli ioni di litio. Sono ancora in fase di test e ci stanno lavorando per portare a 1.500 i cicli di ricarica possibili.

Vantaggi

• Maggiore densità energetica (più energia a parità di peso e volume).
• Più autonomia per veicoli elettrici e dispositivi portatili.
• Più leggera rispetto alle batterie tradizionali.

Il vantaggio della batteria al litio metallico è che l’automobilista può quindi rabboccare l’accumulatore molto più in fretta, grazie a una maggiore densità che permette di garantire anche autonomie maggiori. In generale, si parla di prestazioni superiori dell’accumulatore e quindi della stessa auto elettrica.

⚠️Svantaggi, il costo e i rischi

Tra gli svantaggi:

• Rischio di formazione di dendriti (strutture ramificate che possono perforare il separatore interno e causare cortocircuiti o incendi) con problemi di instabilità e sicurezza.
• Uso di elettroliti liquidi infiammabili.
• Vita utile più breve rispetto alle batterie agli ioni di litio. Durata e cicli di ricarica inferiori: tendono a degradarsi più velocemente rispetto alle batterie agli ioni di litio.
• Costi elevati: attualmente più costose da produrre.

Per le batterie agli ioni di litio, si è scesi da un costo di 752 dollari per kWh del 2013 ai 139/kWh del 2023. Questo si riflette positivamente sul prezzo finale dell’auto elettrica (comunque carissima).
La batteria al litio metallico avrebbe un costo notevolmente superiore, tale da rincarare i listini delle full electric. E ha una durata negli anni inferiore rispetto alla batteria agli ioni di litio: si possono fare meno cicli di ricarica, con lo stato della batteria che si deteriora in modo più sollecito. Inoltre, lo sviluppo del litio metallico è impegnativo a causa della formazione di dendriti di litio, che provoca una degradazione precoce e limita la durata del ciclo.

Oggi, in media, i costruttori assicurano un livello minimo di capacità dell’80% al termine della garanzia di 8 anni sulla batteria agli ioni di litio, a causa di un degrado medio attorno all’1,5% annuo. Con le batterie al litio metallico, le garanzie che le Case dovrebbero fornire sull’accumulatore al litio metallico sarebbero più brevi. Infine, il valore futuro residuo del full electric scenderebbe, con maggiori difficoltà a vendere l’usato.

Corsi e ricorsi storici

Mezzo secolo addietro, le batterie al litio metallico non ricaricabili furono utilizzate per prodotti usa e getta, grazie all’elevata quantità di energia che potevano immagazzinare. Di contro, produrle era più complicato, e quindi il costo era maggiore. Una volta “spremute”, andavano solo buttate. Solo negli anni 1980, ha esordito la prima batteria al litio metallico ricaricabile, ma con bassa efficienza di Faraday: reazioni chimiche indesiderate durante le fasi di carica e scarica provocavano cortocircuiti con rischio d’incendio. Una sorta di farmaco molto efficace che faceva scomparire il male, ma con effetti collaterali non voluti molto pesanti e pericolosi.

Quali possibili futuri

Nel 1991, la prima batteria agli ioni di litio commercializzata da Sony girava attorno a 80 Wh/kg: oggi la media è di 300 Wh/kg, con punte di 700 Wh/kg. Questi accumulatori costituiscono il 60% del mercato delle batterie ricaricabili. Nel 2030 il mercato richiederà batterie per una capacità complessiva di 4.700 GWh. In futuro il litio potrebbe essere sostituito dal sodio, dallo zolfo o dall’ossigeno, che farebbero aumentare la densità gravimetrica e volumetrica (Wh/kg e Wh/l). La grafite potrebbe essere sostituita col silicio negli anodi, aumentando la potenza di ricarica. Si studiano materiali in grado di rigenerare gli elettrodi aumentando la vita utile. Sarebbe preziosa una sensoristica per monitorare lo stato delle celle.

Il futuro delle batterie al litio metallico è promettente, ma ci sono ancora sfide da superare per una diffusione su larga scala. Questa tecnologia potrebbe rivoluzionare diversi settori, soprattutto per auto elettriche, aerospazio e dispositivi portatili, grazie alla sua elevata densità energetica.

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