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Principio della batteria allo stato solido

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

(generate image for illustration only)

Solid-state batteries replace the liquid or polymer gel electrolyte of conventional batteries with a solid, ion-conducting material, such as a ceramic or solid polymer. This design aims to improve safety by eliminating flammable liquid electrolytes and to increase energy density and durata by enabling the use of high-capacity anodes, particularly pure litio metal.

The core innovation of a solid-state battery is the solid electrolyte. This component must fulfill the challenging dual role of being an excellent conductor for ions while being a perfect electrical insulator to prevent internal short circuits. Researchers are exploring several classes of materials, including inorganic crystalline ceramics (e.g., garnet-type LLZO – Li₇La₃Zr₂O₁₂), amorphous glassy ceramics, and solid polymers.

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
– Materials technology

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Emerging Technology

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
  • indossabile sensori
  • veicoli elettrici di nuova generazione (in fase di sviluppo)
  • sistemi aerospaziali e di difesa

Brevetti:

NA

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