La tecnologia delle batterie^(Battery) ha fatto molta strada nel corso degli anni. Gadget come droni^(drones) e smartphone non sarebbero pratici senza la moderna tecnologia avanzata della batteria. 

Tuttavia, le batterie potrebbero sempre essere migliori! 

Le batterie allo stato solido sembrano essere il prossimo grande progresso e i prodotti che le utilizzano sono dietro l'angolo. Ciò significa che ora è il momento perfetto per familiarizzare con ciò che sono e perché sono importanti.

Cosa significa "stato solido"?

Che si tratti di una batteria per auto al piombo, di prodotti monouso alcalini o di batterie ai polimeri di litio^{(lithium polymer batteries)} in un telefono, utilizzano tutti un elettrolita liquido. L'elettrolita è una sostanza conduttiva che collega i due terminali interni della batteria. Gli elettroni fluiscono attraverso l'elettrolito, consentendo alla batteria di accumulare una carica elettrica o di scaricarla.

Una batteria allo stato solido utilizza un elettrolita solido, invece del tradizionale elettrolita liquido. Questa è l'unica differenza fondamentale tra le due tecnologie della batteria. Sembra abbastanza semplice, ma ingegneri e scienziati hanno lottato per decenni per trovare un materiale solido che possa fungere da elettrolita.

Cosa c'è di difficile nelle^(Hard) batterie a stato solido ?^{(Solid State)}

Vari materiali, come ceramica e metalli di litio, offrono potenziale come elettroliti allo stato solido. Il problema è che l'approccio ceramico ha portato a scarse prestazioni della batteria. I metalli al litio sono promettenti, ma hanno un difetto fatale. Quando la batteria viene caricata e scaricata, i "dendriti" metallici crescono attraverso l'elettrolita. La batteria può cortocircuitare e trasformarsi in un pericolo.

Trovare soluzioni pratiche ed economicamente valide a questi problemi è stata la missione di diverse aziende e team di ricerca negli ultimi anni. Ora quel lavoro sta per dare i suoi frutti. 

Perché passare attraverso tutti questi problemi? Diamo un'occhiata ai vantaggi che le batterie allo stato solido promettono rispetto a quelle tradizionali.

Sicurezza

Le batterie immagazzinano grandi quantità di energia e c'è sempre il pericolo che questa energia possa essere rilasciata in modo incontrollato. Quando ciò accade, può significare incendi, esplosioni e altri risultati indesiderati. Le batterie allo stato solido, supponendo che il problema dei dendriti sia risolto, promettono di essere più sicure e stabili. Per prima cosa, non sono infiammabili, quindi gli incendi delle batterie dovrebbero essere un ricordo del passato.

Questo non è importante solo per i veicoli elettrici come automobili e droni, ma anche per l'elettronica personale come smartphone e laptop. Molte persone vengono ferite ogni anno dagli incendi delle batterie nei loro gadget elettronici. Di conseguenza, intere case sono state rase al suolo!

Velocità di ricarica

Le moderne batterie al litio possono caricarsi a velocità impressionanti^{(charge at impressive speeds)} , ma impiegano ancora molto tempo per riempirsi. C'è un limite alla quantità di energia che puoi versare in una tradizionale batteria agli ioni di litio prima che tutto vada di traverso. Le batterie allo stato solido promettono di caricarsi fino a sei volte più velocemente delle batterie che utilizziamo attualmente. Ciò significa ricaricare il telefono da vuoto a pieno in cinque minuti o charging an electric car to 80% in 15 .

Capacità e dimensioni energetiche

Le^(Lithium) batterie agli ioni di litio hanno attualmente la più alta densità di energia di qualsiasi tipo di batteria venduto al pubblico. Eppure è ancora molte volte meno denso della benzina. Sebbene le batterie allo stato solido non portino le batterie alla pari con il gas, promettono di raddoppiare la densità di energia per volume. 

In altre parole, se hai cambiato la batteria del telefono utilizzando un modello a stato solido, in teoria potrebbe funzionare il doppio senza aumentare di dimensioni. Questo è un altro grande punto di forza per i veicoli elettrici, che non sono così popolari come potrebbero essere, a causa dell'ansia da autonomia.

Durata e durata

La maggior parte delle attuali batterie agli ioni di litio inizia a degradarsi dopo circa 500 cicli di carica e scarica completi. Dopo quel punto la batteria inizia a perdere la sua capacità^{(battery begins to lose its capacity)} fino a quando non riesce a mantenere la carica. Negli smartphone, che ora tendono ad avere batterie sigillate, questo pone un limite alla durata del dispositivo. Le batterie allo stato solido promettono di aumentare notevolmente questo limite. Fino a cinque volte. 

Quindi, laddove una tipica batteria di un telefono di uso quotidiano potrebbe iniziare a degradarsi dopo due o tre anni, una batteria a stato solido rimarrebbe alla sua capacità nominale per un massimo di quindici anni^{(fifteen years)} . Nelle auto elettriche, dove la sostituzione delle batterie è estremamente costosa, ciò potrebbe avere un effetto drammatico sul costo di proprietà di questa classe di veicoli. 

Debolezze della batteria a stato solido

Se tutto ciò sembra troppo bello per essere vero, ci sono alcuni avvertimenti sulla tecnologia. Alcuni di questi devono ancora essere risolti prima di ottenere l'adozione diffusa della tecnologia delle batterie allo stato solido.

• Il costo^{(Cost )} è forse il più grande nemico. I team di ricerca^(Research) e le società di avvio stanno lavorando duramente per rendere il processo di produzione di queste batterie più economico e scalabile. Alcune aziende affermano di essere vicine, ma non sapremo quanto successo hanno avuto fino a quando non vedremo i prezzi effettivi dei prodotti con queste batterie.

• Queste batterie lottano anche alle basse temperature^{(struggle at low temperatures)} . Pertanto, le soluzioni che implicano l'isolamento o il mantenimento di una buona temperatura operativa fanno parte della sfida.

Quando è possibile acquistare batterie allo stato solido ?^{(Solid State)}

Ci sono alcune aziende come Solid Power e QuantumScape , che affermano di essere al culmine delle applicazioni commerciali di batterie allo stato solido. 

Toyota prevede di mettere in vendita veicoli elettrici a batteria a stato solido già nel 2021 . Sia Solid Power che QuantumScape puntano a un lancio di batterie per veicoli rispettivamente nel 2022 e nel 2024. Ciò significa che nei prossimi due anni potremmo essere all'inizio di una rivoluzione della batteria. 

Questo prima ancora di entrare nelle possibilità che derivano dall'uso del grafene. Questo materiale meraviglioso promette batterie ancora migliori, indipendentemente dal fatto che contengano elettroliti liquidi o solidi. Far giocare il grafene è sfuggito a scienziati e ingegneri più a lungo del previsto, ma puoi già acquistare un powerbank ibrido al grafene^{(hybrid graphene powerbank)} in questo momento. Davvero^(Truly) , il futuro è qui.

What Are Solid State Batteries and Why Are They Important?

Battery technology has come a long way over the years. Gadgets like drones and smartphones would be impractical without advanced modern battery technology. 

However, batteries could always be better! 

Solid state batteries seem to be the next big advancement and products that use them are around the corner. This means now is the perfect time to familiarize yourself with what they are and why they’re important.

What Does “Solid State” Mean?

Whether it’s a lead acid car battery, alkaline disposables, or lithium polymer batteries in a phone, they all use a liquid electrolyte. The electrolyte is a conductive substance that connects the two internal terminals of the battery. Electrons flow through the electrolyte, allowing the battery to either build up an electrical charge or to discharge it.

A solid state battery uses a solid electrolyte, instead of the traditional liquid electrolyte. That’s the only fundamental difference between the two battery technologies. It sounds simple enough, but engineers and scientists have been struggling for decades to come up with a solid material that can act as an electrolyte.

What’s Hard About Solid State Batteries?

Various materials, such as ceramics and lithium metals, offer potential as solid state electrolytes. The problem is that the ceramic approach has resulted in poor battery performance. Lithium metals are promising, but have a fatal flaw. As the battery is charged and discharged, metal “dendrites” grow through the electrolyte. The battery can short-circuit and turn into a hazard.

Finding practical and economically viable solutions to these issues has been the mission of several companies and research teams over the past few years. Now that work is about to pay off. 

Why go through all this trouble? Let’s look at the benefits that solid state batteries promise over traditional ones.

Safety

Batteries store large amounts of energy and there’s always a danger that this energy can be released in an uncontrolled way. When that happens, it can mean fire, explosions and other unwanted outcomes. Solid state batteries, assuming the dendrite issue is resolved, promise to be safer and more stable. For one thing, they aren’t flammable, so battery fires should be a thing of the past.

This is not only important for electric vehicles such as cars and drones, but also for personal electronics such as smartphones and laptops. Many people are injured every year by battery fires in their electronic gadgets. Entire houses have been burned to the ground as a result!

Recharge Speed

Modern lithium batteries can charge at impressive speeds, but they still take a long time to fill up. There’s a limit to how much energy you can pour into a traditional lithium ion battery before it all goes sideways. Solid state batteries promise to charge as much as six times faster than the batteries we currently use. That means charging up your phone from empty to full in five minutes or charging an electric car to 80% in 15.

Energy Capacity and Size

Lithium ion batteries currently have the highest energy density of any battery type sold to the public. Yet it’s still many times less dense than gasoline. While solid state batteries don’t bring batteries up to par with gas, it does promise to more than double the energy density per volume. 

In other words, if you changed the battery in your phone using a solid state model, it could theoretically run twice as long without increasing in size. This is yet another big selling point for electric vehicles, which aren’t as popular as they could be, thanks to range anxiety.

Lifespan and Durability

Most current lithium ion batteries start to degrade after about 500 full charge-discharge cycles. After that point the battery begins to lose its capacity until it can barely hold a charge at all. In smartphones, which now tend to have sealed batteries, this puts a hard limit on device lifespan. Solid state batteries promise to greatly increase that limit. As much as five times. 

So, where a typical daily-use phone battery might start to degrade after two to three years, a solid state battery would remain at its rated capacity for up to fifteen years. In electric cars, where the replacement of batteries is extremely costly, that could have a dramatic effect on the cost of ownership for this class of vehicles. 

Solid State Battery Weaknesses

If this all sounds too good to be true, there are a few caveats to the technology. Some of these still need to be solved before widespread adoption of solid state battery technology is achieved.

• Cost is perhaps the greatest foe. Research teams and startup companies are working hard on making the production process for these batteries cheaper and scalable. Some companies claim to be close, but we won’t know how successful they’ve been until we see the actual prices on products with these batteries.

• These batteries also struggle at low temperatures. Therefore, solutions that involve insulating them or keeping them at a good operational temperature are part of the challenge.

When Can You Buy Solid State Batteries?

There are a few companies like Solid Power and QuantumScape, which claim to be at the cusp of commercial solid state battery applications. 

Toyota plans to have solid state battery electric vehicles for sale as early as 2021. Both Solid Power and QuantumScape are aiming for a rollout of batteries for vehicles in 2022 and 2024 respectively.  This means that in the next couple of years we could be right at the start of a battery revolution. 

That’s before we even get into the possibilities that come from using graphene. This wonder material promises even better batteries, whether they have liquid or solid electrolytes in them. Getting graphene to play ball has eluded scientists and engineers for longer than expected, but you can already buy a hybrid graphene powerbank right now. Truly, the future is here.

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