I produttori di batterie per EV stanno lavorando con fervore al fine di riuscire a ottimizzare le prestazioni dei loro prodotti. Un lavoro complicato dal fatto che le batteria agli ioni di litio, pur avendo meno parti di un motore a combustione, non sono comunque meno complesse. A renderle tali l’intricata interazione di materiali che influenza l’autonomia di un veicolo elettrico, la velocità di ricarica, le prestazioni e la durata. Per cercare di ovviare hanno quindi privilegiato la ricerca di sostanze chimiche in grado di aiutare i vari processi. E tra i candidati più promettenti in tal senso, c’è la batteria al litio-metallo allo stato solido senza anodo.
Una serie di sfide impegnative
Perché questa scelta? A spiegarlo è stato Tim Holme, co-fondatore e direttore tecnico della start-up di batterie QuantumScape, secondo il quale questa chimica renderà possibile la produzione di un veicolo senza compromessi, in cui autonomia di guida, tempi di ricarica, sicurezza e durata raggiungeranno valori impressionanti. Per ora, l’assunto è fattibile solo sulla carta. Prima che la nuova tecnologia possa lasciare il laboratorio e trasferirsi sul piano produttivo occorre però risolvere una serie di sfide impegnative.
E tra quelle più intriganti è ancora Holme a dare indicazioni, con queste parole: “Se si vuole fare un grande cambiamento in termini di costi, energia per massa ed energia per volume, il cambiamento più grande che si può fare è eliminare l’anodo”. Dichiarazione resa a Inside Evs, destinata a provocare un certo scalpore.
Le batterie agli ioni di litio vedono la presenza di alcuni componenti chiave. Nel novero vanno inclusi un anodo, un elettrolita, un separatore e un catodo. Dal loro mix scaturisce il lavoro necessario al fine di trasportare gli elettroni tra i cicli di carica e scarica di un EV. L’anodo, in particolare, rappresenta uno dei componenti più sporchi, sia in termini di impatto ambientale che di complessità di produzione.
Solitamente è fatto di grafite, un materiale stabile e duraturo, il quale va però a limitare la carica rapida e la densità energetica. La sua lavorazione impone la presenza di solventi tossici e la Cina controlla la stragrande maggioranza della sua catena di fornitura. Una possibile alternativa è rappresentata dal silicio, ma questi anodi sono costosi e il loro ciclo di vita e la loro stabilità non sono i migliori, secondo QuantumScape.
La soluzione di QuantumScape
Proprio agli anodi è dovuta, per buona parte, la pesantezza delle batterie EV. Lo stesso Holme ha spiegato che sono formati da uno spesso strato di carbonio, tale da occupare molto volume e massa in una cella. La loro elaborazione e produzione sono inoltre ad alta intensità energetica, con conseguente rilascio di notevoli emissioni di CO2. QuantumScape è una delle numerose start-up di batterie che stanno cercando di abbandonare i metodi tradizionali di incorporazione degli anodi. Le altre sono Factorial, Our Next Energy ed Ensurge Micropower.
L’azienda sta sviluppando una batteria al litio-metallo in cui l’anodo può essere formato “in situ”, ovvero creato direttamente all’interno della batteria anziché essere inserito come componente separato. Normalmente le batterie agli ioni di litio utilizzano un anodo preformato, realizzato con grafite e/o silicio. Quelle al litio-metallo possono iniziare con solo un catodo e un elettrolita.
Durante la prima carica, gli ioni di litio vanno a depositarsi sul collettore di corrente, formando l’anodo di litio-metallo. In tal modo si semplifica la produzione, con la riduzione dei costi e il miglioramento della densità energetica. Secondo QuantumScape un’auto elettrica con circa 563 chilometri di autonomia utilizzando celle tipiche può percorrerne tra 643 e 804 utilizzando le sue celle di litio-metallo allo stato solido.
Una sfida ingegneristica
Holme ha poi aggiunto: “Il litio metallico è il miglior anodo. È meglio della grafite e del silicio. Stato solido più litio metallico costituiscono la migliore batteria. Non c’è alcun compromesso tecnico. Ma è una sfida ingegneristica”. In particolare lo è la prevenzione della crescita di dendriti, strutture metalliche affilate che possono crescere all’interno della batteria e rovinarla.
A indicare la gravosità di tale problema è stato Daniel Parr, analista tecnologico presso la società di ricerca britannica IDTechEX. In una nota ha infatti sottolineato che storicamente le batterie al litio metallico sono state difficili da sviluppare a causa di questo problema, poiché la formazione di dendriti provoca la degradazione precoce della batteria limitandone il ciclo di vita.
La soluzione di QuantumScape al problema si esplicita in un separatore allo stato solido proprietario in ceramica che impedisce i dendriti. L’elettrolita è composto di un liquido organico mentre il catodo può essere fatto usando nichel, ferro o entrambi, come affermato da Holme. Queste le sue parole al proposito: “Il ferro è ovviamente più economico, ma ha una densità energetica inferiore e il nichel ha una densità energetica più elevata, ma è più costoso. Il nostro piano è di offrire entrambe le piattaforme ai nostri clienti e lasciare che scelgano”.
La nuova chimica è utilizzata dalla cella QS-5 della start-up. Se le prime due lettere rappresentano l’azienda, “E” sta per energia e il numero indica cinque milliampere-ora di capacità. Si viaggia quindi sui livelli di capacità di una cella Tesla 2170 utilizzata in alcune versioni della Model Y. La densità energetica di 305 wattora per chilogrammo, sembra solo marginalmente migliore delle celle NMC 4680 di Tesla utilizzate nel Cybertruck e nella Model Y, la cui densità energetica si attesta a 272-296 wh/kg. Mentre la batteria Solstice, completamente allo stato solido di Factorial ne ha una di 450 wh/kg. Quindi, per una batteria sperimentale allo stato solido, la densità della QSE-5 è nella fascia bassa.
I vantaggi della nuova batteria di QuantumSpace
I vantaggi della sua soluzione sono però notevoli, stando a quanto affermato dalla start-up. A partire dalla migliore durata di vita che elimina la “capacità di dissolvenza” derivante dalle reazioni chimiche tra l’anodo e l’elettrolita. Come è migliore la sicurezza garantita dal fatto che il separatore ceramico è non combustibile e stabile anche sotto carichi di temperatura estremi. In caso di incidente, un veicolo elettrico dotato di tale batteria ha meno probabilità di esplodere.
QuantumScape ha già spedito campioni B della sua nuova batteria alle case automobilistiche per i test e prevede di inviarne altri quest’anno. Si tratta di prototipi di batterie quasi di produzione utilizzati per test più avanzati. Un novero che comprende ad esempio le valutazioni di sicurezza, la convalida delle prestazioni e l’integrazione negli EV.
Tra i clienti di QuantumScape c’è PowerCo SE, sussidiaria di batterie del Gruppo Volkswagen che sta costruendo gigafactory in Spagna, Germania e Canada. L’accordo di licenza non esclusiva permette a PowerCo di produrre fino a 40 gigawattora di batterie utilizzando la tecnologia QuantumScape, con la possibilità di espanderla a 80 gWh. Dati sufficienti alla produzione di un milione di auto elettriche all’anno.
Per quanto concerne i costi rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, Holmes ha infine dichiarato: “Se si confronta il primo razzo SpaceX con quello che la NASA ha fatto all’epoca, non sarebbe stato così competitivo. Man mano che sono migliorati, hanno abbassato i costi di SpaceX a ordini di grandezza inferiori a quelli a cui operava la NASA”. Quindi, almeno all’inizio supereranno quelli di una batteria tradizionale.