Riassunto:
I ricercatori stanno cercando di prendere in prestito la tecnologia dalla produzione di chip semiconduttori per risolvere le sfide di lunga data nella produzione e nelle prestazioni delle batterie per veicoli elettrici di prossima generazione. Applicando metodi di lavorazione di precisione originariamente utilizzati per produrre componenti microelettronici ai materiali delle batterie, gli scienziati sperano di creare componenti delle batterie più sottili, più uniformi e strutturalmente più stabili, migliorando così ulteriormente la resistenza, la velocità di ricarica e la durata della batteria dei veicoli elettrici.
Dopo decenni di sviluppo, le tradizionali batterie agli ioni di litio hanno fatto grandi progressi in termini di densità energetica, costi e affidabilità, ma è sempre più difficile migliorare ulteriormente le prestazioni. Allo stesso tempo aumentano anche i requisiti per le batterie dei veicoli elettrici. Le case automobilistiche sperano che le batterie possano immagazzinare più energia, supportare una ricarica più rapida e debbano anche avere una maggiore sicurezza e una maggiore durata.
Le batterie allo stato solido sono quindi considerate una delle direzioni importanti per la prossima generazione della tecnologia delle batterie. A differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, che utilizzano elettroliti liquidi, le batterie allo stato solido utilizzano elettroliti solidi, che dovrebbero aumentare la densità di energia e ridurre il rischio di perdite di elettroliti liquidi e incendi. Alcuni progetti possono teoricamente raggiungere densità di energia di circa 500 Wh/kg, mentre le attuali batterie agli ioni di litio che utilizzano elettroliti liquidi sono tipicamente intorno a 300 Wh/kg.
Ma le batterie allo stato solido devono ancora affrontare un problema molto spinoso quando si tratta di commercializzazione su larga scala: il materiale è troppo fragile.
Durante il processo di carica e scarica della batteria, gli ioni di litio continueranno a muoversi all'interno del materiale dell'elettrodo, provocando l'espansione e la contrazione ripetuta dell'elettrodo. Con l'aumentare del numero di cicli, possono verificarsi spazi vuoti, crepe e persino deformazioni tra materiali diversi, ostacolando in definitiva il normale movimento degli ioni di litio e causando una graduale diminuzione della capacità della batteria e delle prestazioni energetiche.
I ricercatori hanno quindi iniziato a cercare modi per controllare in modo più preciso la struttura interna delle batterie e la tecnologia di produzione dei semiconduttori ha fornito una serie di strumenti maturi in grado di controllare la struttura del materiale su scala nanometrica dopo decenni di sviluppo.
Uno dei vantaggi principali del settore della produzione di chip è la capacità di creare strutture altamente regolari su scale estremamente ridotte. I transistor e le strutture di interconnessione nei chip avanzati sono diventati piccoli quanto nanometri e il processo di produzione richiede un controllo preciso della deposizione del materiale, dell'incisione, della modellazione e delle strutture interstrato. I ricercatori sperano di applicare idee simili alla produzione delle batterie e di ridurre i difetti difficili da controllare nel processo di produzione tradizionale attraverso una progettazione strutturale più raffinata dei materiali delle batterie.
Una delle direzioni chiave è utilizzare metodi simili all'elaborazione dei wafer semiconduttori per creare strutture a strato sottile nelle batterie. A differenza della produzione tradizionale delle batterie, che si basa principalmente sul rivestimento, sulla pressatura e sull’essiccazione, il processo di produzione dei chip può formare una pellicola su scala nanometrica altamente uniforme sulla superficie del materiale e può controllare con precisione l’interfaccia tra i diversi materiali.
Questa capacità è particolarmente importante per le batterie allo stato solido, perché l'interfaccia tra i materiali solidi determina direttamente se gli ioni di litio possono passare senza problemi. Se sull'interfaccia sono presenti piccole crepe, vuoti o una distribuzione non uniforme del materiale, la resistenza alla trasmissione degli ioni potrebbe aumentare e ridurre le prestazioni della batteria.
I ricercatori sperano di utilizzare la deposizione di film sottile e la tecnologia di elaborazione micro-nano nel campo della produzione di semiconduttori per costruire una struttura di elettrodi ed elettroliti più uniforme all'interno della batteria, riducendo così lo stress meccanico generato durante la carica e la scarica.
L'idea non è semplicemente quella di spostare un set completo di linee di produzione di chip nella fabbrica di batterie, ma di selezionare processi e attrezzature adatti alla produzione delle batterie. Poiché esistono enormi differenze nei materiali, nelle dimensioni e nella scala di produzione tra batterie e chip, è probabile che il costo di produrre batterie utilizzando interamente metodi di produzione di semiconduttori sia inaccettabilmente elevato.
La soluzione con un reale significato commerciale consiste nell'utilizzare i principi di lavorazione micro-nano che sono stati dimostrati dall'industria dei chip e riprogettare il processo in modo che possa adattarsi alla produzione su vasta scala, ad alto rendimento e a basso costo richiesta dalle batterie.
Questa è una delle sfide principali che i ricercatori devono attualmente affrontare. I wafer dei chip misurano solitamente solo decine di centimetri o meno, mentre l'area degli elettrodi di una batteria per auto può raggiungere diversi metri quadrati. La produzione di batterie richiede anche la lavorazione di grandi quantità di materiali attivi, quindi qualsiasi nuovo processo deve bilanciare la precisione su scala nanometrica con l’efficienza della produzione su scala industriale.
I ricercatori ritengono che, se questo problema di espansione potesse essere risolto, l'esperienza accumulata in decenni nel settore manifatturiero dei semiconduttori potrebbe fornire un nuovo percorso tecnico per l'industria delle batterie.
Allo stesso tempo, i ricercatori nel settore delle batterie stanno anche cercando di migliorare le strutture degli elettrodi utilizzando altre tecnologie di produzione avanzate. Ad esempio, controllando con precisione la disposizione delle particelle del materiale dell'elettrodo, è possibile trattenere un numero sufficiente di canali ionici aumentando al tempo stesso la proporzione di materiali attivi; controllando la struttura dei pori, l'elettrolita può penetrare in modo più uniforme nell'elettrodo.
Per le batterie allo stato solido, l'interfaccia di controllo è particolarmente critica. Gli elettroliti liquidi tradizionali possono riempire i piccoli spazi tra gli elettrodi, mentre gli elettroliti solidi non possono fluire in queste aree da soli come i liquidi. Pertanto, gli elettrodi e gli elettroliti devono essere in ottimo contatto durante la fase di produzione.
Le tecnologie di deposizione di film sottile, trattamento superficiale e modellazione su scala nanometrica nella tecnologia di produzione di chip possono aiutare i ricercatori a gestire queste interfacce in modo più accurato.
Un simile trasferimento tecnologico trasversale si è effettivamente verificato nel settore delle batterie. In passato, alcune aziende produttrici di batterie hanno introdotto apparecchiature e processi provenienti dall’industria dei semiconduttori, dei pannelli di visualizzazione e della produzione di pellicole sottili di precisione, perché anche queste industrie necessitano di creare strutture di strato sottile estremamente uniformi su substrati di grandi dimensioni.
I ricercatori prestano particolare attenzione anche agli elettrodi in materiale siliconico. Teoricamente il silicio può immagazzinare molto più litio rispetto alla grafite, quindi è considerato un materiale importante per migliorare la densità energetica delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, il silicio subisce variazioni di volume molto significative durante la carica e la scarica, che possono facilmente causare la rottura della struttura dell'elettrodo.
Se il materiale di silicio può essere progettato strutturalmente in modo più preciso attraverso la tecnologia di produzione micro-nano, può riservare spazio per l'espansione del materiale in una certa misura e migliorare il percorso di trasmissione degli elettroni e degli ioni di litio.
Questa idea significa che la produzione di batterie in futuro potrebbe diventare sempre più simile a una "ingegneria dei materiali" altamente sofisticata. Le prestazioni delle batterie non sono più determinate esclusivamente dalle formulazioni chimiche, ma anche dalla disposizione dei materiali su scala nanometrica, dalla struttura dell’interfaccia e dalla distribuzione dei pori.
I ricercatori sperano di riuscire prima o poi a ottenere un modo più preciso di produrre batterie: controllando lo spessore di ogni strato di materiale, il contatto tra ciascun materiale e il percorso del movimento degli ioni su scala microscopica, mantenendo al contempo un'efficienza di produzione sufficientemente elevata su scala macroscopica.
In caso di successo, questo tipo di tecnologia potrebbe migliorare più parametri della batteria contemporaneamente. Una struttura più uniforme può ridurre la resistenza interna e aumentare la velocità di ricarica; un'interfaccia più stabile può ridurre le crepe e la perdita di materiale durante il ciclismo, prolungando così la durata della batteria; una percentuale maggiore di materiali attivi ha l'opportunità di aumentare l'energia immagazzinata per unità di peso.
Tuttavia, il passaggio dalla tecnologia di laboratorio all'industria automobilistica richiede ancora un lungo periodo di verifica. Non solo le batterie dei veicoli elettrici devono essere testate centinaia o addirittura migliaia di volte in laboratorio, ma devono anche essere in grado di resistere alle alte temperature, alle basse temperature, alle vibrazioni, agli urti e al costante stress meccanico che si verifica negli anni di utilizzo.
Ancora più importante, qualsiasi nuovo processo di produzione deve alla fine dimostrarsi competitivo in termini di costi rispetto alle linee di produzione consolidate di batterie agli ioni di litio. La produzione delle batterie per autoveicoli è molto più elevata di quella della maggior parte dei dispositivi elettronici di fascia alta, quindi anche se una tecnologia può raggiungere una precisione nanometrica estremamente elevata, sarà difficile entrare veramente nell’industria automobilistica se la velocità di produzione è troppo lenta o il costo delle apparecchiature è troppo alto.
Quindi, invece di provare a trasformare una batteria in un chip gigante, i ricercatori stanno ora attingendo a ciò che l'industria dei semiconduttori sa fare meglio: controllare materiali e interfacce con altissima precisione.
Se queste tecnologie potranno essere eventualmente applicate su larga scala, le future batterie dei veicoli elettrici potrebbero acquisire capacità di controllo strutturale su scala nanometrica simili a quelle dei chip avanzati durante il processo di produzione. Ciò potrebbe non solo promuovere l’ulteriore commercializzazione delle batterie allo stato solido, ma potrebbe anche migliorare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione, delle batterie all’anodo di silicio e di altre nuove tecnologie di stoccaggio dell’energia.
Per l'industria dei veicoli elettrici, la prossima tornata di gare sulla tecnologia delle batterie potrebbe non riguardare più la ricerca di un "nuovo materiale magico", ma l'utilizzo di metodi di produzione più sofisticati per combinare i materiali esistenti in batterie con prestazioni migliori. L’esperienza di elaborazione micro-nano accumulata per decenni dall’industria manifatturiera dei chip sta diventando un importante insieme di strumenti tecnici che i ricercatori nel settore delle batterie stanno cercando di prendere in prestito.
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