Dal Dott Xiaoxi Lui, Tecnology Analyst, IDTechEx

Fonte: IDTechEx

 

Cambridge, Regno Unito. 19 Novembre 2015. Oakridge Global Energy Solutions, Inc., una società quotata in borsa con una capitalizzazione di mercato di oltre 400 milioni di dollari ha recentemente annunciato il suo piano per utilizzare appieno i numerosi brevetti sviluppati e di proprietà della società sulle batterie a stato solido. Oakridge Global Energy Solutions completerà l’ultima fase di prototipazione pre-produzione nei primi mesi del 2016 e sarà pronta per la piena produzione commerciale tra la fine del 2016 ad i primi del 2017.

La commercializzazione di batterie a stato solido indica una nuova era per il mercato delle batterie stimato in 135 miliardi di dollari in un decennio. IDTechEx Research prevede che il mercato per le batterie a stato solido sarà superiore a 4 miliardi di dollari nel 2026 – vedi per ulteriori informazioni Advanced and Post Lithium-ion batteries 2016-2026: Technologies, Markets, Forecasts.

I vantaggi delle batterie a stato solido

Una tipica cella batteria comprende catodo, anodo, separatore ed elettroliti. Una delle batterie commerciali di maggior successo è la tecnologia agli ioni di litio, che è stata commercializzata dal 1991. La maggior parte delle attuali tecnologie agli ioni di litio impiegano elettrolita liquido, con sali di litio, come LiPF6, LiBF4 o LiClO4 in un solvente organico (ad esempio alchil carbonati). Tuttavia, l’interfaccia elettrolita solido (SEI), che è causato come conseguenza della scomposizione dell’elettrolita all’elettrodo negativo, limita la conduttanza efficace. Inoltre, l’elettrolita liquido ha bisogno di membrane costose per separare il catodo e l’anodo, nonché un involucro impermeabile per evitare perdite. Pertanto, la dimensione e la libertà di progettazione di queste batterie sono limitate. Inoltre, l’elettrolita liquido ha problemi di sicurezza e di salute in quanto utilizza liquidi infiammabili e corrosivi.

Nelle batterie agli ioni di litio a stato solido, sia gli elettrodi e l’elettrolita sono a stato solido. L’elettrolita a stato solido normalmente si comporta anche come separatore. È più sicuro, anche se tutte l’elettrolite organici impiegati sono infiammabili. L’elettrolite a stato solido consentono il ridimensionamento a causa dell’eliminazione di alcuni componenti (ad esempio, i separatori e gli alloggiamenti). Pertanto, essi possono potenzialmente essere realizzati con una maggiore densità di energia e densità di potenza. Inoltre, sono più resistenti alle variazioni di temperatura ed ai danni fisici verificatisi durante l’uso. Pertanto essi possono gestire più cicli di carica/scarica prima del degrado, promettendo un tempo di vita più lungo.

Batterie a stato solido possono essere un punto di svolta

Le batterie a stato solido possono essere un game-changer in elettronica, robotica, veicoli elettrici, dispositivi medici e militari dove sono richieste una maggior sicurezza, ciclo di vita più lungo e potenzialmente maggiore densità di energia. Toyota ha iniziato a sviluppare batterie a stato solido dal 2010. Poiché le batterie utilizzate per i veicoli elettrici in genere richiedono un tempo di sviluppo più lungo, i risultati positivi non si vedranno per almeno 8 anni. Un settore più facile è l’elettronica di consumo. Le batterie saranno commercializzate da Oakridge Solutions Global Energy e stanno prendendo di mira il mercato di internet delle cose (Internet of Things IoT) e quelle batterie sono sottili, piccole, per essere facilmente utilizzate in piccoli gadget elettronici.

Difficoltà nella scelta del materiale

Il componente chiave di una batteria completamente allo stato solido è l’elettrolita allo stato solido. Di solito gli elettroliti a stato solido hanno una minore conduttività ionica. Ad esempio, la prima generazione di elettrolita allo stato solido, litio fosforo oxynitride (LIPON), ampiamente usato in batterie allo stato solido a film sottile commerciali esistenti, ha una bassa conduttività ionica di 2 x 10-6 S/cm a 25° C, ancora 3-4 ordini di grandezza peggiore dell’elettrolita liquido (10-2-10-3S/cm). Litio ceramiche germanio fosforo solfuro sono anche stati studiati come potenziali elettrolita allo stato solido. Tuttavia, le caratteristiche instabili e reattive a larga scala si sono rivelate una sfida. Oltre la conducibilità ionica equa e stabile, una buona interfaccia solido-solido tra l’elettrodo ed elettrolita è anche importante. Finora, i candidati includono solfuro, ossido, ceramica, nitruro, vetro e polimeri, anche se più materiali vengono studiati e sviluppati dagli scienziati.

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In English

Solid-state batteries: A new era

 

By Dr Xiaoxi He, Technology Analyst, IDTechEx

Source: IDTechEx

Cambridge, UK. November 19, 2015. Oakridge Global Energy Solutions, Inc., a publicly traded company (OGES) with a market capitalization of over USD $400,000,000 recently announced its plan to fully utilize the many patents developed & owned by the company on solid-state batteries. Oakridge Global Energy Solutions will complete the last phase of pre-production prototyping in early 2016 and will be ready for full commercial product and manufacturing in late 2016 to early 2017. Commercialization of solid-state battery indicates a new era for the US $135bn addressable battery market in a decade. IDTechEx Research forecast that the market for solid-state batteries will exceed $4bn in 2026 – see Advanced and Post Lithium-ion batteries 2016-2026: Technologies, Markets, Forecasts for further information.

Advantages of solid-state batteries

A typical battery cell consists of cathode, anode, separator and electrolyte. One of the most successful commercial batteries is the lithium-ion technology, which has been commercialized since 1991. Most current lithium-ion technologies employ liquid electrolyte, with lithium salts such as LiPF6, LiBF4 or LiClO4 in an organic solvent (e.g. alkyl carbonates). However, the solid-electrolyte interface (SEI), which is caused as a result of the de-composition of the electrolyte at the negative electrode, limits the effective conductance. Furthermore, liquid electrolyte needs expensive membranes to separate the cathode and anode, as well as an impermeable casing to avoid leakage. Therefore, the size and design freedom for these batteries are limited. Furthermore, liquid electrolyte has safety and health issues as it uses flammable and corrosive liquids.

In solid-state lithium ion batteries, both the electrodes and the electrolyte are solid-state. Solid-state electrolyte normally behaves as the separator as well. It is safer, although all of the organic electrolytes used are flammable. Solid-state electrolytes allow scaling due to the elimination of certain components (e.g. separator and casing). Therefore, they can potentially be made with a higher energy density and power density. In addition, they are more resistant to changes in temperature and physical damages occurred during usage. Therefore they can handle more charge/discharge cycles before degradation, promising a longer life time.

Solid state batteries can be a game changer

Solid-state batteries can be a game-changer in electronics, robotics, electric vehicles, medical devices and military where better safety, longer cycle life and potentially higher energy density are required. Toyota has started to develop all-solid-state batteries since 2010. As the batteries used for electric vehicles usually require longer development time, positive results are not expected to be seen in less than 8 years. An easier entry is consumer electronics. The batteries going to be commercialized by Oakridge Global Energy Solutions are targeting Internet of Things (IoT) markets and those batteries are thin, tiny, easily to be used in small electronic gadgets.

Difficulty is the material selection

The key component of an all-solid-state battery is the solid-state electrolyte. Usually solid-state electrolytes have lower ionic conductivity. For instance, the 1st generation solid-state electrolyte, lithium phosphorus oxynitride (LiPON), widely used in existing commercial solid-state thin film batteries, has a low ionic conductivity of 2 x 10-6 S/cm at 25 degrees C, still 3-4 orders of magnitude worse than liquid electrolyte (10-2-10-3S/cm). Lithium germanium phosphorous sulfide ceramics have been studied as a potential solid-state electrolyte as well. However, unstable and reactive features at large scale turned out to be a challenge. Besides fair ionic conductivity and stable performance, a good solid-solid interface between electrode and electrolyte is also important. So far, candidates include sulfide, oxide, nitride ceramics, glasses and polymers, although more materials are being studied and developed by scientists.

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