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Principio della batteria allo stato solido

1990
Assemblaggio di batterie allo stato solido in un laboratorio di tecnologia dei materiali.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Le batterie a stato solido sostituiscono l'elettrolita liquido o in gel polimerico delle batterie convenzionali con un materiale solido conduttore di ioni, come una ceramica o un polimero solido. Questo design mira a migliorare la sicurezza eliminando gli elettroliti liquidi infiammabili e ad aumentare la densità energetica e durata consentendo l'uso di anodi ad alta capacità, in particolare puri litio metallo.

L'innovazione fondamentale di una batteria a stato solido è l'elettrolita solido. Questo componente deve assolvere alla difficile duplice funzione di essere un eccellente conduttore di ioni e al contempo un perfetto isolante elettrico per prevenire cortocircuiti interni. I ricercatori stanno esplorando diverse classi di materiali, tra cui ceramiche cristalline inorganiche (ad esempio, LLZO di tipo granato - Li₇La₃Zr₂O₁₂), ceramiche vetrose amorfe e polimeri solidi.

La motivazione principale è la sicurezza. Le batterie agli ioni di litio convenzionali utilizzano elettroliti liquidi organici infiammabili, che possono fuoriuscire e incendiarsi in caso di danni o malfunzionamenti, un fenomeno noto come runaway termico. Un elettrolita solido e non infiammabile mitiga intrinsecamente questo rischio. Oltre alla sicurezza, l'elettrolita solido è un fattore chiave per i materiali anodici di nuova generazione. L'anodo ideale è il litio metallico puro, che offre la più alta densità energetica teorica. Tuttavia, negli elettroliti liquidi, il litio metallico tende a formare strutture aghiformi chiamate dendriti durante la carica. Questi dendriti possono crescere attraverso il separatore, mandare in cortocircuito la cella e causare un incendio.

Un elettrolita solido meccanicamente robusto può fungere da barriera fisica, inibendo la crescita dei dendriti e consentendo l'uso sicuro di un anodo di litio metallico. Ciò potrebbe portare a batterie con una densità energetica significativamente più elevata (maggiore autonomia per un veicolo elettrico) e una durata del ciclo più lunga. Le sfide principali rimangono il raggiungimento di un'elevata conduttività ionica a temperatura ambiente, il mantenimento di interfacce stabili tra l'elettrolita solido e gli elettrodi durante le variazioni di volume e lo sviluppo di processi di produzione economicamente vantaggiosi.

UNESCO Nomenclature: 3319
• Tecnologia dei materiali

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Tecnologia emergente

Precursori

  • Scoperta della conduttività ionica nei materiali solidi da parte di Michael Faraday
  • Sviluppo della chimica delle batterie agli ioni di litio e dei materiali degli elettrodi
  • Progressi nella scienza della ceramica e nelle tecniche di deposizione di film sottili
  • Comprensione teorica del trasporto di ioni nei solidi

Applicazioni

  • pacemaker e altri dispositivi medici impiantabili
  • Tag RFID e smart card
  • sensori indossabili
  • veicoli elettrici di nuova generazione (in fase di sviluppo)
  • sistemi aerospaziali e di difesa

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: batteria a stato solido, elettrolita solido, densità energetica, anodo di litio metallico, sicurezza della batteria, elettrolita ceramico, dendriti, LLZO.

Contesto storico

Principio della batteria allo stato solido

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1989
1990
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1987-03
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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

Invenzioni, innovazioni e principi tecnici correlati

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