I limiti di prestazioni delle batterie hanno finora frenato il passaggio ad auto elettriche più pulite e hanno praticamente impedito di prendere in considerazione il mondo degli aerei elettrici.
di James Temple
Nonostante tutto il clamore e la speranza, i veicoli elettrici, rappresentano ancora solo il 2 per cento circa delle vendite di auto nuove negli Stati Uniti e solo poco più a livello globale. Per molti acquirenti, sono semplicemente troppo costosi, la loro autonomia è limitata e ricaricarli non è così veloce e conveniente come il rifornimento alla pompa.
Tutte queste limitazioni hanno a che fare con le batterie agli ioni di litio che alimentano i veicoli. Sono costose, pesanti, si esauriscono rapidamente e, a peggiorare le cose, si basano su elettroliti liquidi che possono prendere fuoco durante le collisioni. Rendere le auto elettriche più competitive rispetto a quelle a gas richiederà interventi molto decisi. Questo, almeno, è l’argomento di Jagdeep Singh, amministratore delegato di QuantumScape, una startup della Silicon Valley che afferma di aver sviluppato la giusta tecnologia.
L’azienda afferma di averlo fatto risolvendo un puzzle di chimica che ha lasciato perplessi i ricercatori per quasi mezzo secolo: come utilizzare il litio, il metallo più leggero sulla tavola periodica, per aumentare la quantità di energia che può essere imballata in una batteria senza correre il rischio abituale di incendio o altre carenze di prestazioni. L’azienda afferma di aver ottenuto questo risultato, in gran parte, sviluppando una versione solida dell’elettrolita liquido infiammabile.
VW è rimasta così colpita da investire centinaia di milioni di dollari in QuantumScape. Il gigante automobilistico tedesco ha anche accettato di creare una joint venture con l’azienda per produrre in serie le batterie e afferma che saranno sulle sue auto elettriche e sui suoi camion entro il 2025.
Ricarica più veloce e tragitti più lunghi
In una batteria agli ioni di litio convenzionale, uno dei due elettrodi, l’anodo, è costituito principalmente da grafite. Questa è una forma di carbonio che può facilmente assorbire e rilasciare gli ioni di litio caricati che si spostano avanti e indietro tra l’anodo e il catodo attraverso l’elettrolita. Questo flusso di particelle cariche produce una corrente elettrica, che fuoriesce dalla batteria per fornire alimentazione. Ma la grafite è semplicemente un ospite per gli ioni di litio, che si annidano tra fogli di carbonio come pacchetti sugli scaffali. È un peso morto che non immagazzina energia né produce corrente.
In una batteria al litio-metallo, l’anodo stesso è costituito da litio. Ciò significa che quasi ogni atomo nell’anodo della batteria può essere attivato creando corrente. Teoricamente, una batteria a base di anodo metallico al litio potrebbe immagazzinare il 50 per cento di energia in più rispetto a una batteria dello stesso peso e volume che si basava sulla grafite.
Tuttavia, poiché il litio metallico è così reattivo, essere in costante contatto con un elettrolita liquido può innescare reazioni che degradano la batteria o causano la combustione, afferma Venkat Viswanathan, professore associato alla Carnegie Mellon che lavora con batterie al litio-metallo ed è un consulente di QuantumScape. Un altro problema è che mentre gli ioni di litio fluiscono avanti e indietro, nelle batterie possono formarsi strutture aghiformi note come dendriti e cortocircuitare la cella o farle prendere fuoco.
QuantumScape, che è diventato pubblica a novembre dopo aver operato in modalità invisibile per un decennio, non ha ancora diffuso alcuni dei dettagli critici su come la sua batteria a elettrolita solido supera questi problemi. Ma sembra funzionare molto bene. In una presentazione online a dicembre, l’azienda ha mostrato una serie di grafici che mostrano che una versione da laboratorio a strato singolo della batteria può essere caricata a oltre l’80 per cento della sua capacità in 15 minuti, durare per centinaia di migliaia di km e funzionare bene a temperature di congelamento.
La startup si aspetta che le batterie siano in grado di aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici di oltre l’80 per cento: un’auto che può percorrere 450 km con una singola carica oggi potrebbe arrivare a 730 km.
In effetti, il campo delle batterie è disseminato di esempi di startup che hanno promesso tecnologie rivoluzionarie, ma che alla fine hanno fallito. E le sfide davanti a QuantumScape sono scoraggianti, in particolare quando si tratta di convertire i suoi prototipi di celle in prodotti commerciali che possono essere fabbricati a basso costo.
Se l’azienda avrà successo, potrebbe trasformare il mercato dei veicoli elettrici. La riduzione dei costi, la maggiore autonomia e semplicità potrebbero ampliare la domanda oltre le persone che possono permettersi di sborsare migliaia di dollari per le ricarica a casa e alleviare le ansie di coloro che temono di rimanere bloccati in viaggi più lunghi.
La maggiore densità di energia e la ricarica più rapida potrebbero anche rendere più pratica l’elettrificazione di altre forme di trasporto, inclusi gli autotrasporti a lungo raggio e persino i voli a breve distanza. Inoltre, i telefoni e i laptop potrebbero andare avanti un paio di giorni con una sola carica.
Nascita di una batteria
La storia delle batterie al litio-metallo risale ai primi anni del 1970 ed è strettamente intrecciata con lo sviluppo di quelle agli ioni di litio da cui dipendiamo oggi. Le crisi petrolifere dell’epoca, insieme ai timori per il futuro del petrolio, avevano improvvisamente riacceso l’interesse per i veicoli elettrici per la prima volta dall’infanzia dell’industria automobilistica. Nel 1972, American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW e altri stavano tutti lavorando su auto elettriche, come lo scrittore scientifico Seth Fletcher descrive nel libro Bottled Lighting. Nel frattempo, i grandi laboratori industriali, compresi quelli di GE, Dow Chemical ed Exxon, stavano cercando una chimica delle batterie migliore.
Allora le batterie, che erano per lo più al piombo-acido, non potevano competere sulle distanze o velocità dei motori a gas. Nel 1969, l’auto elettrica sperimentale 512 della General Motors vantava una velocità massima di circa 50 km all’ora, con un’autonomia di 75 km. Nel 1972, la divisione di ricerca di Exxon assunse un giovane chimico di nome Stan Whittingham in virtù del suo lavoro post-dottorato a Stanford. Nello specifico, stava sviluppando materiali cristallini che permettessero agli ioni di fluire facilmente dentro e fuori.
Alla Exxon, Whittingham e i suoi colleghi iniziarono a sperimentare un promettente materiale poroso per un catodo: il disolfuro di titanio. Lo accoppiarono con un anodo fatto di litio metallico, un materiale altamente reattivo che rilascia prontamente i suoi elettroni. Funzionò sorprendentemente bene. Il team richiese un brevetto nel 1973, pubblicò un articolo storico su “Science” nel 1976 e mostrò una versione più grande delle celle a un salone dell’auto nel 1977.
All’inizio degli anni 1980, la crisi petrolifera era passata. Il nuovo management di Exxon decise di non perseguire qualsiasi linea di business senza il potenziale per diventare un mercato annuale da 100 milioni di dollari. L’azienda abbandonò i suoi tentativi nel settore dei veicoli elettrici e le batterie.
Gli ioni di litio prendono il sopravvento
Le batterie al litio-metallo erano di gran lunga superiori alle batterie al piombo-acido, ma presentavano anche inconvenienti intrinseci che il team di Exxon non aveva mai risolto, tra cui la facile infiammabilità in laboratorio. Altri che hanno tentato di commercializzare batterie al litio-metallo hanno avuto problemi simili. Negli anni 1980, Moli Energy della British Columbia sviluppò una batteria al litio-metallo da 2,2 volt per laptop e telefoni cellulari.
Ma nel 1989, un telefono cellulare giapponese prese fuoco, ustionando il suo proprietario. Dopo che un’indagine attribuì la colpa alla batteria, migliaia di telefoni cellulari vennero richiamati e l’azienda andò in amministrazione controllata, come riportato da Electric Autonomy Canada.
Nel frattempo, altri stavano sviluppando il lavoro di Whittingham. John Goodenough, ora professore presso l’Università del Texas ad Austin, utilizzò l’ossido di cobalto anziché il disolfuro di titanio per sviluppare un catodo in grado di immagazzinare più energia. Akira Yoshino, professore all’Università Meijo, sostituì l’anodo di litio puro con il coke (un’altra forma di carbonio), in grado di immagazzinare molti ioni di litio, ma meno esposto ai pericoli di incendio. Infine, i ricercatori della Sony assemblarono i pezzi per sviluppare le prime batterie commerciali agli ioni di litio nel 1992. Whittingham, Goodenough e Yoshino hanno condiviso il premio Nobel per la chimica nel 2019 per le loro ricerche nel settore.
Il successo travolgente delle batterie agli ioni di litio, che ora alimentano i nostri laptop, telefoni e veicoli elettrici, ha annullato i tentativi di commercializzare la tecnologia al litio-metallo per gli anni a venire. Ma alcuni non hanno mai perso di vista il potenziale del litio metallico come forma più efficiente di accumulo di energia. E la sostituzione degli elettroliti liquidi standard, che sono effettivamente solventi combustibili, con materiali solidi è rimasta una strada di esplorazione particolarmente promettente.
Intorno al 2000, un team dell’Oak Ridge National Laboratory offrì una dimostrazione delle batterie a film sottile, del tipo utilizzato in piccoli dispositivi elettronici come smart card e pacemaker, che utilizzavano la tecnologia al litio-metallo allo stato solido. Il processo di produzione, le dimensioni e la forma delle batterie a film sottile ne limitano principalmente l’uso al di là di qualsiasi cosa più grande di un orologio, afferma Paul Albertus, esperto di batterie presso l’Università del Maryland. Ma il lavoro fornì una prova cruciale della possibilità di una batteria al litio-metallo funzionante.
Diverse startup avevano ricominciato a perseguire la tecnologia verso la fine del primo decennio degli anni Duemila. Ma si è rivelata una strada insidiosa. Alcune hanno già chiuso. Seeo, costituita nel 2007, è stata acquistata dall’azienda tedesca Bosch, che in seguito ha abbandonato le sue ricerche sulle batterie. Bolloré, con sede in Francia, è stata la prima a inserire batterie al litio-metallo a stato solido nei veicoli su strada, lanciando i suoi programmi di car sharing Bluecar nel 2011. Ma i suoi elettroliti a base di polimeri funzionano solo a temperature più elevate, limitando il loro utilizzo nei veicoli di consumo.
Tuttavia, di recente un gruppo di altre aziende ha compiuto progressi significativi. In particolare, due giorni dopo la presentazione di QuantumScape lo scorso dicembre, Solid Power, una startup del Colorado fondata nel 2012, ha annunciato che sta già producendo lotti su scala pilota di celle al litio-metallo a 22 strati che supererebbero la gamma delle attuali batterie per veicoli elettrici.
A gennaio, la divisione ARPA-E del Dipartimento dell’Energia ha annunciato che avrebbe investito 9 milioni di dollari in un tentativo della azienda di batterie 24M e Viswanathan di Carnegie Mellon di sviluppare batterie al litio-metallo progettate per aerei elettrici, dove l’energia immagazzinata e la potenza fornita per chilogrammo sono cruciali.
La nascita di QuantumScape
Il trucco per qualsiasi azienda che sviluppa batterie al litio-metallo è stato quello di individuare i materiali elettrolitici che prevengono incendi e dendriti, pur consentendo agli ioni di passare facilmente e senza degradare le prestazioni della batteria. Ed è esattamente ciò che QuantumScape afferma di aver fatto.
Le origini della azienda risalgono al 2009. Mentre Singh si preparava a dimettersi dalla carica di CEO di Infinera, una società di networking da lui cofondata, iniziò a parlare con il collega di Stanford Tim Holme e il suo consulente, Friedrich Prinz, sulla formazione di un’azienda basata sulla loro ricerca su nuovi materiali per batterie.
L’anno successivo, il trio ha cofondato QuantumScape, con l’obiettivo di sviluppare batterie ad alta densità energetica con un’elevata potenza. Inizialmente hanno provato a farlo creando un tipo completamente nuovo di batteria, noto come batteria interamente elettronica, ma hanno scoperto che sarebbe stato più difficile di quanto inizialmente sembrasse.
A quel punto, l’azienda aveva raccolto decine di milioni di dollari da società di venture capital come Kleiner Perkins e Khosla Ventures. La disponibilità di finanziamenti ha lasciato QuantumScape con abbastanza soldi per cambiare silenziosamente direzione, perseguendo il sogno della tecnologia al litio-metallo.
L’azienda ha trascorso i cinque anni successivi alla ricerca del materiale giusto per sviluppare un elettrolita a stato solido, afferma Singh. Ha poi impiegato altri cinque per elaborare la giusta composizione e il processo di produzione per prevenire difetti e dendriti. Tutto ciò che l’azienda dice sul suo elettrolita è che è una ceramica.
Siamo al punto di arrivo?
Tutti i test pubblicati finora da QuantumScape sono stati eseguiti su celle a strato singolo. (Dopo che questo articolo è andato in stampa, l’azienda ha annunciato che hanno prodotto e condotto test su cellule a quattro strati che hanno ottenuto risultati simili). Per le automobili, l’azienda avrà bisogno di produrre batterie con diverse decine di strati, abbastanza a buon mercato da competere con gli ioni di litio.
È un compito ingegneristico scoraggiante. “Dopo 10 anni e 300 milioni di dollari e 150 persone che ci lavorano, ora hanno questa piccola carta da giocarsi”, dice Albertus, dell’Università del Maryland. “Siamo ancora molto lontani, però, dalla fornitura di batterie su scala di migliaia di tonnellate ed è una sfida davvero difficile.” Diversi ricercatori di batterie mi hanno detto che dubitano seriamente che QuantumScape possa completare i test di sicurezza in tempo per mettere le batterie nelle auto sulla strada tra soli quattro anni.
Dati i risultati dell’azienda e gli annunci incoraggianti di altre startup, la maggior parte delle persone nel mondo delle batterie pensa che i problemi che hanno bloccato l’impiego del litio metallico per decenni possano essere risolti, motivo per cui è nell’elenco delle tecnologie innovative del 2021 di “MIT Technology Review”. Ma è anche chiaro che, nonostante tutti i progressi compiuti dai tempi di Whittingham alla Exxon, ci sono ancora anni di lavoro davanti.
Immagine: Un diffrattometro a raggi X viene utilizzato per controllare i componenti della batteria a QuantumScape. Di Winni Wintermeyer
(rp)
