Se i veicoli elettrici riusciranno mai a soppiantare completamente le macchine a benzina sulle strade del mondo, avranno bisogno di un tipo di batteria completamente nuovo. Nonostante i miglioramenti costanti nell’ultimo decennio nella densità di energia e nella durata delle batterie agli ioni di litio, le celle dei nuovi veicoli elettrici sono ancora indietro rispetto ai motori a combustione interna praticamente su ogni parametro di prestazione. La maggior parte dei veicoli elettrici hanno una gamma di meno di 300 miglia, ci vuole più di un’ora per ricaricare i loro pacchetti di batterie, le cellule perdono quasi un terzo della loro capacità entro un decennio, e rappresentano un grave rischio per la sicurezza a causa dei loro materiali infiammabili.
La soluzione a questi problemi è nota da decenni: Si chiama batteria a stato solido e si basa su un’idea ingannevolmente semplice. Invece di un elettrolita liquido convenzionale – la roba che traghetta gli ioni di litio tra gli elettrodi – usa un elettrolita solido. Inoltre, il terminale negativo della batteria, chiamato anodo, è fatto di puro metallo di litio. Questa combinazione manderebbe la sua densità di energia alle stelle, permetterebbe una ricarica ultra-veloce ed eliminerebbe il rischio di incendi della batteria. Ma negli ultimi 40 anni, nessuno è stato in grado di realizzare una batteria a stato solido che mantenesse questa promessa – fino all’inizio di quest’anno, quando una startup segreta chiamata QuantumScape ha affermato di aver risolto il problema. Ora ha i dati per dimostrarlo.
Martedì, per la prima volta, il cofondatore e CEO di QuantumScape, Jagdeep Singh, ha rivelato pubblicamente i risultati dei test della batteria a stato solido dell’azienda. Singh dice che la batteria ha risolto tutte le sfide principali che hanno afflitto le batterie a stato solido in passato, come la durata di vita incredibilmente breve e la velocità di ricarica lenta. Secondo i dati della QuantumScape, la sua cella può caricarsi all’80 per cento della capacità in 15 minuti, mantiene più dell’80 per cento della sua capacità dopo 800 cicli di ricarica, è incombustibile, e ha una densità di energia volumetrica di più di 1.000 watt-ora per litro a livello di cella, che è quasi il doppio della densità di energia delle celle agli ioni di litio commerciali di alta gamma.
“Pensiamo di essere i primi a risolvere lo stato solido”, ha detto Singh a WIRED prima dell’annuncio. “Nessun altro sistema a stato solido si avvicina a questo.”
La cella della batteria di QuantumScape è circa la dimensione e lo spessore di una carta da gioco. Il suo catodo, o terminale positivo, è fatto di nichel manganese cobalto ossido, o NMC, una chimica comune nelle batterie EV oggi. Il suo elettrodo negativo, o anodo, è fatto di puro metallo di litio – ma è più accurato dire che non ha affatto un anodo, poiché è prodotto senza uno. Quando la batteria si scarica durante l’uso, tutto il litio scorre dall’anodo al catodo. Il vuoto lasciato sul lato anodico – più sottile di un capello umano – viene temporaneamente compresso come una fisarmonica. Il processo si inverte quando la batteria viene caricata, e gli ioni di litio si riversano nuovamente nello spazio anodico.
“Questo design senza anodo è importante perché è probabilmente l’unico modo in cui le batterie al litio-metallo possono essere prodotte oggi con gli attuali impianti di produzione”, dice Venkat Viswanathan, un ingegnere meccanico che lavora sulle batterie al litio-metallo alla Carnegie Mellon University e un consigliere tecnico di QuantumScape. “Ma la chiave della svolta allo stato solido di QuantumScape è il separatore in ceramica flessibile che si trova tra il catodo e l’anodo. Questo è il materiale che mette il “solido” nello stato solido. Come l’elettrolita liquido che si trova tra gli elettrodi in una cella convenzionale, la sua funzione principale è quella di trasportare gli ioni di litio da un terminale all’altro quando la batteria si carica e si scarica. La differenza è che il separatore solido agisce anche come una barriera che impedisce ai dendriti di litio – viticci metallici che si formano sugli anodi di metallo di litio durante i cicli di carica – di serpeggiare tra gli elettrodi e causare un corto circuito.
Venkat Srinivasan, il direttore dell’Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, ha trascorso quasi un decennio nella ricerca di batterie a stato solido al laboratorio nazionale fuori Chicago. Dice che trovare un materiale separatore che permetta agli ioni di litio di fluire liberamente tra gli elettrodi mentre blocca i dendriti è stata di gran lunga la sfida più grande. In genere, i ricercatori hanno usato un polimero plastico o una ceramica dura. Anche se i polimeri sono il materiale separatore preferito nelle batterie ad elettrolita liquido, sono inadeguati per le celle a stato solido perché non bloccano i dendriti. E la maggior parte delle ceramiche utilizzate per le batterie sperimentali a stato solido sono state troppo fragili per durare più di qualche dozzina di cicli di carica.
“Questi dendriti sono come la radice di un albero”, dice Srinivasan, che non era coinvolto nel lavoro QuantumScape. “Il problema che stiamo cercando di risolvere è: come si fa a fermare meccanicamente la crescita di questo sistema di radici con qualcosa di solido? Non puoi semplicemente mettere quello che vuoi, perché devi alimentare gli ioni avanti e indietro. Se non lo fai, non c’è nessuna batteria.”
Le batterie agli ioni di litio sono sistemi complessi, e la ragione del loro lento miglioramento nel corso degli anni è che modificare una parte di una cella spesso ha effetti a cascata che alterano le sue prestazioni in modi imprevisti. Per costruire una batteria migliore, i ricercatori devono sistematicamente indagare diversi materiali fino a trovare qualcosa che funziona, che può essere un compito incredibilmente lungo. Singh dice che QuantumScape ha impiegato 10 anni e 300 milioni di dollari in R&D prima che l’azienda trovasse un separatore a stato solido che si adattasse al conto. Non ha voluto rivelare di cosa è fatto – questa è la salsa segreta dell’azienda – ma dice che il materiale è economico e facilmente disponibile. “Non abbiamo avuto una rivelazione divina che ci ha detto: ‘Questo materiale funzionerà, andate a costruirlo'”, dice Singh. “Abbiamo dovuto attraversare molti vicoli ciechi. Ma la natura ha fornito un materiale che soddisfa i requisiti, e per fortuna, attraverso il nostro processo di ricerca sistematica, siamo stati in grado di trovarlo.”
Singh dice che la batteria QuantumScape è il tipo di cambiamento di passo nelle prestazioni che spingerà i veicoli elettrici nel mainstream. Non è l’unico a pensarla così. L’azienda conta Bill Gates e Vinod Khosla tra i suoi investitori, e diversi baroni della batteria, come il cofondatore di Tesla J. B. Straubel, siedono nel suo consiglio di amministrazione. Uno dei più grandi sostenitori dell’azienda è Volkswagen, il più grande produttore di auto del mondo, che ha investito più di 300 milioni di dollari in QuantumScape e prevede di iniziare a utilizzare le celle a stato solido in alcuni dei propri veicoli elettrici non appena il 2025.
QuantumScape e VW non sono le uniche aziende nel gioco delle batterie a stato solido, naturalmente. Anche Toyota sta sviluppando una cella a stato solido, che i funzionari dell’azienda prevedevano di svelare alle Olimpiadi di Tokyo quest’anno, prima che fosse rimandata a causa della pandemia. Come VW, Toyota prevede di avere le sue batterie a stato solido sulla strada entro il 2025. Ma all’inizio di quest’anno, Keiji Kaita, vice presidente della divisione powertrain di Toyota, ha detto alla pubblicazione di settore Automotive News che l’azienda doveva ancora migliorare la durata limitata della batteria. I rappresentanti di Toyota non hanno risposto alla richiesta di commento di WIRED.
Una startup di sei anni chiamata Solid Power ha anche realizzato una cella a stato solido funzionante e ha iniziato a produrre prototipi di batterie con 10 strati sovrapposti in un impianto pilota in Colorado. Come QuantumScape, queste celle hanno un anodo di litio-metallo e un elettrolita ceramico a stato solido. L’elettrolita di Solid Power è a base di solfuro, una chimica che è desiderabile per le batterie a stato solido a causa della sua alta conduttività e compatibilità con i processi di produzione esistenti. L’azienda ha partnership con un certo numero di produttori di automobili, tra cui Ford, BMW e Hyundai, anche se i suoi dirigenti non si aspettano di vedere le loro cellule sulla strada prima del 2026 a causa del lungo processo di qualificazione automobilistica. Solid Power non ha ancora rilasciato dati sulla sua cella, ma l’azienda dovrebbe svelare una cella più grande e pubblicare i suoi dati sulle prestazioni per la prima volta questo giovedì.
“Il panorama competitivo delle batterie a stato solido sta diventando sempre più affollato a causa dell’enorme potenziale che le batterie a stato solido hanno nel consentire l’elettrificazione dei veicoli”, dice Doug Campbell, CEO di Solid Power. “Questo alla fine porta a veicoli elettrici con maggiore autonomia, maggiore affidabilità e costi inferiori.”
I dati sulle prestazioni di QuantumScape sono impressionanti, ma vengono con un avvertimento importante. Tutti i dati dei test sono stati generati in singole celle che, tecnicamente parlando, non sono batterie complete. La cella sottile svelata da QuantumScape è destinata ad essere impilata insieme a circa 100 altre per formare una cella completa che è circa la dimensione di un mazzo di carte. Alimentare un EV richiederà centinaia di queste batterie impilate, ma finora l’azienda non ha testato una cella completamente impilata.
Scalare una batteria da una subunità di una singola cella a una cella completa e infine a un pacchetto completo di batterie può creare un sacco di problemi, dice Srinivasan. Quando le batterie sono fatte in piccoli lotti, dice, è più facile eliminare i difetti che emergono durante il processo di produzione. Ma una volta che si inizia a produrre batterie in scala, può essere difficile controllare i difetti, che possono rapidamente intaccare le prestazioni di una batteria. “Anche se un materiale può sembrare molto promettente su piccola scala, nello scale-up questi difetti potrebbero diventare un problema maggiore”, dice Srinivasan. “
Jeff Sakamoto, un ingegnere meccanico focalizzato sull’immagazzinamento dell’energia all’Università del Michigan che non era coinvolto in QuantumScape, è d’accordo. Dice che ci sono ancora significative lacune di conoscenza sulle proprietà meccaniche fondamentali delle batterie a stato solido al litio-metallo, che potrebbero creare problemi quando si tratta di commercializzare la tecnologia. Egli indica il primo jet passeggeri commerciale del mondo, lo sfortunato De Havilland Comet, come esempio delle conseguenze del lancio di una tecnologia prima che le sue proprietà materiali siano completamente comprese. Poco dopo che il Comet ha preso il volo, ha sperimentato diverse rotture catastrofiche a mezz’aria perché gli ingegneri non hanno compreso appieno il processo di degradazione dei metalli usati nel suo scafo. Mentre la posta in gioco è un po’ più bassa per le celle a stato solido che per i jet commerciali – le batterie sono, dopo tutto, progettate per essere ultrasicure – una batteria che va sul mercato e sperimenta problemi di prestazioni inaspettati potrebbe rallentare l’elettrificazione dei trasporti.
“Sono stupito di quanto poco si sappia sul comportamento meccanico del litio metallico e di come la fisica del litio influenzi la fattibilità delle batterie a stato solido”, dice Sakamoto. “Non so fino a che punto queste lacune di conoscenza influenzeranno l’adozione diffusa delle batterie a stato solido al litio-metallo. Ma più sappiamo sul comportamento fondamentale, migliore sarà la transizione verso l’adozione su larga scala.”
Singh è indifferente alle sfide che QuantumScape deve affrontare prima che le sue batterie escano dal laboratorio ed entrino in una macchina. Per quanto lo riguarda, l’azienda ha risolto i difficili problemi di scienza di base che hanno ostacolato la commercializzazione di una batteria a stato solido. “Non voglio banalizzare il lavoro che rimane”, dice Singh. “Ma non è una questione se questo funzionerà o meno. È una questione di ingegneria.”
All’inizio di quest’anno, QuantumScape è diventata pubblica attraverso una società di acquisizione speciale e ha aggiunto circa 700 milioni di dollari al suo bilancio già considerevole. Singh dice che l’azienda ha ora più di 1 miliardo di dollari nel suo forziere di guerra, che è più che sufficiente per portarla in produzione. Sembra impossibile che l’azienda possa fallire, ma questo è anche ciò che gli investitori hanno pensato di A123 Systems e Envia Systems, due aziende che hanno raccolto enormi quantità di denaro dalle case automobilistiche tradizionali con la promessa di una batteria EV che avrebbe cambiato il gioco – solo per crollare quando le prestazioni delle loro celle non hanno soddisfatto le aspettative. QuantumScape potrebbe benissimo diventare la prima startup a consegnare una batteria commerciale a stato solido, ma l’azienda ha ancora una lunga strada da percorrere.
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