Produzione di batterie allo stato solido presso ProLogium

Rendering del futuro stabilimento ProLogium a Dunkerque (Foto: ProLogium)

Le batterie agli ioni di litio, in tutte le loro diverse combinazioni chimiche, sono diventate onnipresenti in tutto il mondo. Dai dispositivi portatili alle automobili e ai camion, se un dispositivo ha una batteria, probabilmente utilizza una formula a base di litio.

Queste batterie hanno subito notevoli miglioramenti, ma i problemi persistono. Temperature estreme di freddo e caldo possono influire sulle prestazioni e sulla sicurezza, mentre la densità energetica massima è limitata a circa 250 wattora (Wh) per chilogrammo. Pertanto, un veicolo elettrico a batteria deve trasportare circa 500 kg di celle agli ioni di litio e hardware di supporto.

Le batterie agli ioni di litio devono il loro nome ai sali di litio liquidi utilizzati come elettrolita: questo è il mezzo utilizzato per far transitare gli ioni carichi/scaricati avanti e indietro tra anodo e catodo. Per impedire agli elettroni liberi di percorrere lo stesso percorso, ogni cella è dotata di un separatore. Se questa barriera si degrada o viene perforata, può creare le condizioni per un evento di fuga termica.

Come suggerisce il nome, le batterie allo stato solido sostituiscono l'elettrolita liquido con un mezzo solido. Realizzato in ceramica, vetro o plastica, questo funge da separatore tra i due elettrodi. Grazie alla sua elevata resistenza, è possibile sostituire l'anodo di grafite di una cella agli ioni di litio con uno in litio (o altro materiale ad alte prestazioni), in grado di fornire una densità energetica maggiore (+/-400 Wh/kg).

L'elettrolita solido può anche sopportare temperature molto più elevate, il che significa che le batterie allo stato solido possono essere ricaricate a velocità significativamente più elevate, il che si traduce in tempi di ricarica più brevi. Inoltre, la capacità della cella di immagazzinare energia si degrada più lentamente, il che significa che possono gestire molti più cicli di carica/scarica rispetto a un equivalente agli ioni di litio.

Ma c'è un problema: pur offrendo chiari vantaggi rispetto alle celle agli ioni di litio, le batterie allo stato solido sono costose e difficili da produrre su larga scala. Questo perché gli strati che compongono l'elettrolita solido si espandono e si contraggono durante il riscaldamento e il raffreddamento, disallineandosi fino a compromettere le prestazioni.

Annuncio chiave

Quindi, tenendo presente tutto ciò, il vincitore della gara delle batterie allo stato solido sarà il primo a perfezionare la produzione in serie dell'elettrolita solido stratificato, al punto che possa resistere alle variazioni di temperatura senza che il nucleo si deformi.

Nel settembre 2025, all'evento IAA Mobility di Monaco di Baviera, in Germania, Vincent Yang, fondatore e CEO di ProLogium Technology, ha annunciato che, dopo due decenni di ricerca e sviluppo, l'azienda era pronta a presentare la sua batteria in ceramica al litio allo stato solido completamente inorganica e superfluidificata Gen4.

"Non si tratta solo di un concetto di laboratorio, ma di un sistema verificato e producibile in serie", ha affermato Yang, che ha continuato: "Le sue innovazioni principali [sono] il nostro elettrolita brevettato SF-Ceramion, l'anodo al 100% di silicio e il separatore al 100% di ceramica, che insieme definiscono un nuovo standard per le batterie di prossima generazione".

Selezione del sito

Fino all'annuncio di Yang sulle batterie Gen4, ProLogium aveva continuato la ricerca e la produzione di celle per batterie nel suo stabilimento di Taiwan. Ma, supportata da nuovi flussi di investimenti, era giunto il momento di portare la tecnologia più avanzata dell'azienda in nuovi mercati.

Tra gli ospiti presenti alla cerimonia di inaugurazione del ProLogium figuravano anche alti ministri del governo francese (Foto: Power Progress)

Era una giornata umida e ventosa di febbraio di quest'anno quando ministri del governo francese e altri ospiti si sono riuniti per assistere alla cerimonia di inaugurazione del nuovo stabilimento di produzione di celle per batterie allo stato solido Gigafactory di ProLogium. Situato vicino a Dunkerque, nel nord della Francia, l'azienda punta a una produzione di 4 GWh a partire dal 2028.

Catherine Sung, responsabile della strategia globale e delle operazioni in Francia di ProLogium, ha fornito maggiori dettagli sulla scelta del sito.

"Il nuovo stabilimento doveva sorgere in Europa, poiché avevamo importanti investitori nel progetto che desideravano una gigafactory più vicina alle loro sedi. Quando abbiamo iniziato, avevamo circa 90 siti in fase di valutazione. Tra questi, ne abbiamo selezionati cinque potenziali, tra cui Dunkerque."

Fondamentale per la scelta finale di Dunkirk è stata la disponibilità di energia sufficiente e l'utilizzo di energia generata tramite tecnologie pulite. Ciò contribuirà a ridurre ulteriormente l'impronta di carbonio del produttore di batterie.

Il sito ProLogium di Dunkerque, in Francia, è adiacente al terminal portuale (Foto: ProLogium)

"Naturalmente, il porto di Dunkerque è proprio dietro l'angolo", ha continuato Sung – le operazioni di movimentazione container erano chiaramente visibili dal sito ProLogium. "Possiamo usare questo collegamento per importare materiali ed esportare celle finite, il che ci aiuterà a semplificare la logistica". Ha aggiunto che i clienti saranno dislocati in Europa, Asia e Stati Uniti.

Piani di produzione

La produzione in serie di una precedente generazione di celle per batterie ProLogium è iniziata nel 2013 a Taiwan. A quel tempo, le celle erano destinate principalmente all'elettronica di consumo e ad altri settori, tra cui applicazioni mediche, poiché l'elevato livello di sicurezza delle celle le rendeva adatte all'uso in prossimità del paziente.

"Da quel momento in poi, abbiamo iniziato a migliorare la nostra tecnologia di produzione", afferma Sung. "Siamo passati dalla produzione di celle con un metodo foglio per foglio a un metodo rotolo-rotolo. Abbiamo introdotto la prima versione di questo metodo nel 2017."

Sung spiega che il metodo roll-to-roll è influenzato dalla natura fisica dell'elettrolita solido utilizzato nelle batterie allo stato solido, che pur essendo solido presenta una certa flessibilità. "Questa flessibilità del materiale dell'elettrolita supporta la produzione roll-to-roll e, a sua volta, è fondamentale per la produzione di massa", afferma.

Un altro elemento a supporto della produzione di celle in serie è la tecnologia Logithium sviluppata da ProLogium. La funzione principale del sistema è descritta come "una struttura di separazione adesiva unica nel suo genere che migliora la resa della batteria e previene i cortocircuiti". Il sistema può anche contribuire all'allineamento degli strati di elettrolita e al corretto collegamento di anodo e catodo.

Sistema roll-to-roll nello stabilimento ProLogium di Taoke, Taiwan (Foto: ProLogium)

Le singole celle della batteria sono collegate utilizzando un metodo bipolare che collega l'anodo di una cella al catodo dell'altra. Il design riduce al minimo il materiale inattivo, aumentando al contempo la densità energetica e la conduttività per fornire una tensione più elevata. Le sfide includono la gestione della resistenza di interfaccia e la garanzia della stabilità meccanica.

"Con le batterie convenzionali, il cablaggio è completamente esterno", spiega Sung. "Con il metodo bipolare, il cablaggio è minimo. In realtà, basta solo mettere a contatto le celle. Ecco perché il sistema Logithium è il fondamento della nostra tecnologia. È ciò che consente il layout bipolare".

Un ulteriore elemento della soluzione è il separatore; come sottolineato da Yang nella sua presentazione all'IAA, al posto della plastica le celle prodotte da ProLogium utilizzano un materiale ceramico. Questa barriera presenta una resistenza meccanica superiore e, unita a un'eccellente stabilità termica, riduce praticamente a zero il rischio di cortocircuito.

A differenza di altre celle che utilizzano un elettrolita solido a base di solfuro, la batteria allo stato solido di ProLogium non necessita di pressione esterna per supportare la produzione o il funzionamento. Il processo di laminazione dipende invece dalla temperatura per ottenere l'adesione necessaria. Questo crea l'interfaccia tra la base elettrolitica e quello che Sung descrive come "il materiale attivo". Alla domanda su cosa sia, Sung si rifiuta di rispondere, poiché si tratta di un'informazione di proprietà di ProLogium.

Pur non necessitando di pressione, l'elettrolita necessita di un ambiente asciutto per l'assemblaggio del nucleo. Questo perché la presenza di umidità durante il processo di stratificazione può influire sulla qualità del prodotto finale. Pertanto, come osserva Sung, sono stati investiti ingenti capitali nella creazione di un ambiente asciutto e di attrezzature di assemblaggio idonee.

Flessibilità attraverso l'automazione

Dopo aver introdotto la produzione roll-to-roll nel 2017, nel 2024 lo stabilimento ProLogium di Taiwan ha raggiunto la soglia di produzione annua di gigawatt. È questa tecnologia, spiega Sung, che verrà replicata nel sito di Dunkerque.

"L'impianto sarà automatizzato quasi al 100%", afferma. "Caricheremo e scaricheremo i rotoli manualmente, ma quasi tutte le altre operazioni saranno eseguite utilizzando un certo livello di automazione".

Vincent Yang parla alla cerimonia di inaugurazione del nuovo stabilimento ProLogium (Foto: Power Progress)

L'automazione contribuisce anche alla flessibilità produttiva. ProLogium produrrà celle allo stato solido di varie dimensioni in base alle esigenze del cliente, quindi la capacità di adattare i processi automatizzati per realizzare tali celle è fondamentale per il modello di business.

"Esploreremo opportunità in una serie di mercati", aggiunge. "Collaboreremo con i produttori OEM di veicoli elettrici, ma anche con aziende che producono sistemi di accumulo di energia elettrica a batteria, applicazioni aerospaziali e, possibilmente, anche robotica".

Nella pianificazione della linea di produzione di Dunkirk, Sung afferma che ci saranno opportunità di combinare ulteriormente operazioni e processi in base a tecnologia e capacità. Questo, insieme ad altri fattori, aiuterà ProLogium a raggiungere il suo primo obiettivo di produrre 4 GW di accumulo di batterie, che secondo Sung equivalgono a 40.000-50.000 celle singole di capacità variabile.