Come arriviamo alla prossima grande svolta delle batterie

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Gli aerei elettrici potrebbero essere il futuro dell’aviazione. In teoria, saranno molto più silenziosi, più economici e più puliti degli aerei che abbiamo oggi. Gli aerei elettrici con un’autonomia di 1.000 km (620 miglia) con una singola carica potrebbero essere utilizzati per la metà di tutti i voli commerciali di oggi, tagliando le emissioni di carbonio dell’aviazione globale di circa il 15%. Un’auto elettrica non è semplicemente una versione più pulita della sua cugina inquinante. È, fondamentalmente, un’auto migliore: Il suo motore elettrico fa poco rumore e fornisce una risposta fulminea alle decisioni del conducente. Caricare un’auto elettrica costa molto meno che pagare una quantità equivalente di benzina. Le auto elettriche possono essere costruite con una frazione di parti mobili, il che le rende più economiche da mantenere.

Perché allora le auto elettriche non sono già ovunque? Perché le batterie sono costose, rendendo il costo iniziale di un’auto elettrica molto più alto di un modello simile alimentato a gas. E a meno che non si guidi molto, il risparmio sulla benzina non sempre compensa il costo iniziale più alto. In breve, le auto elettriche non sono ancora economiche.

Allo stesso modo, le batterie attuali non contengono abbastanza energia per peso o volume per alimentare gli aerei passeggeri. Abbiamo ancora bisogno di scoperte fondamentali nella tecnologia delle batterie prima che questo diventi una realtà.

I dispositivi portatili alimentati a batteria hanno trasformato le nostre vite. Ma c’è molto di più che le batterie possono sconvolgere, se solo si potessero fare batterie più sicure, potenti e dense di energia a basso costo. Nessuna legge della fisica ne preclude l’esistenza.

Eppure, nonostante più di due secoli di studi approfonditi da quando la prima batteria è stata inventata nel 1799, gli scienziati ancora non comprendono appieno molti dei fondamenti di ciò che accade esattamente all’interno di questi dispositivi. Quello che sappiamo è che ci sono essenzialmente tre problemi da risolvere affinché le batterie trasformino veramente la nostra vita ancora una volta: potenza, energia e sicurezza.

Non esiste una batteria agli ioni di litio a misura unica

Ogni batteria ha due elettrodi: un catodo e un anodo. La maggior parte degli anodi delle batterie agli ioni di litio sono fatti di grafite, ma i catodi sono fatti di vari materiali, a seconda dell’uso che verrà fatto della batteria. Qui sotto, puoi vedere come i diversi materiali dei catodi cambiano il modo in cui i tipi di batterie si comportano su sei misure.

La sfida del potere

Nel linguaggio comune, la gente usa “energia” e “potenza” in modo intercambiabile, ma è importante differenziarli quando si parla di batterie. La potenza è la velocità con cui l’energia può essere rilasciata.

Una batteria abbastanza forte da lanciare e mantenere in volo un jet commerciale per 1.000 km richiede molta energia da rilasciare in pochissimo tempo, specialmente durante il decollo. Quindi non si tratta solo di avere molta energia immagazzinata, ma anche di avere la capacità di estrarre quell’energia molto rapidamente.

Affrontare la sfida della potenza ci richiede di guardare dentro la scatola nera delle batterie commerciali. Sarà un po’ da nerd, ma abbiate pazienza. Le nuove tecnologie delle batterie sono spesso sopravvalutate perché la maggior parte delle persone non guarda abbastanza da vicino i dettagli.

La chimica delle batterie più all’avanguardia che abbiamo attualmente è il litio-ione. La maggior parte degli esperti è d’accordo sul fatto che nessun’altra chimica potrà sconvolgere gli ioni di litio per almeno un altro decennio o più. Una batteria agli ioni di litio ha due elettrodi (catodo e anodo) con un separatore (un materiale che conduce ioni ma non elettroni, progettato per prevenire il cortocircuito) nel mezzo e un elettrolita (solitamente liquido) per consentire il flusso di ioni di litio avanti e indietro tra gli elettrodi. Quando una batteria è in carica, gli ioni viaggiano dal catodo all’anodo; quando la batteria alimenta qualcosa, gli ioni si muovono nella direzione opposta.

Immagina due pagnotte di pane affettato. Ogni pagnotta è un elettrodo: quello di sinistra è il catodo e quello di destra è l’anodo. Supponiamo che il catodo sia fatto di fette di nichel, manganese e cobalto (NMC) – uno dei migliori della classe – e che l’anodo sia fatto di grafite, che è essenzialmente un foglio stratificato, o fette, di atomi di carbonio. Quando la batteria è in carica, ogni ione di litio viene estratto tra le fette e costretto a viaggiare attraverso l’elettrolita liquido. Il separatore funge da punto di controllo per garantire che solo gli ioni di litio passino attraverso il pane di grafite. A piena carica, il catodo della batteria non avrà più ioni di litio; saranno tutti ordinatamente inseriti tra le fette del pane di grafite. Man mano che l’energia della batteria viene consumata, gli ioni di litio viaggiano indietro verso il catodo, finché non ne rimane nessuno nell’anodo. È allora che la batteria deve essere ricaricata di nuovo.

La capacità di potenza della batteria è determinata, essenzialmente, da quanto velocemente avviene questo processo. Ma non è così semplice aumentare la velocità. Estrarre gli ioni di litio dalla pagnotta catodica troppo velocemente può far sì che le fette sviluppino difetti e alla fine si rompano. È uno dei motivi per cui più a lungo usiamo il nostro smartphone, il nostro portatile o la nostra auto elettrica, peggiore è la durata della loro batteria. Ogni carica e scarica fa sì che la pagnotta si indebolisca un po’.

Varie aziende stanno lavorando a soluzioni per il problema. Un’idea è quella di sostituire gli elettrodi stratificati con qualcosa di strutturalmente più forte. Per esempio, la società svizzera Leclanché, che ha 100 anni, sta lavorando su una tecnologia che usa il litio ferro fosfato (LFP), che ha una struttura “olivina”, come catodo, e l’ossido di titanato di litio (LTO), che ha una struttura “spinello”, come anodo. Queste strutture sono migliori nel gestire il flusso di ioni di litio dentro e fuori il materiale.

Leclanché attualmente utilizza le sue celle di batteria in carrelli elevatori autonomi da magazzino, che possono essere caricati al 100% in nove minuti. Per fare un confronto, il miglior supercharger Tesla può caricare una batteria di un’auto Tesla a circa il 50% in 10 minuti. Leclanché sta anche distribuendo le sue batterie nel Regno Unito per la ricarica rapida delle auto elettriche. Queste batterie siedono alla stazione di ricarica e prelevano lentamente piccole quantità di energia per un lungo periodo dalla rete fino a quando non sono completamente cariche. Poi, quando un’auto attracca, le batterie della stazione di attracco caricano rapidamente la batteria dell’auto. Quando l’auto se ne va, la batteria della stazione inizia a ricaricarsi di nuovo.

Sforzi come quello di Leclanché mostrano che è possibile armeggiare con la chimica delle batterie per aumentare la loro potenza. Tuttavia, nessuno ha ancora costruito una batteria abbastanza potente da fornire rapidamente l’energia necessaria a un aereo commerciale per sconfiggere la gravità. Le startup stanno cercando di costruire aerei più piccoli (fino a 12 persone), che potrebbero volare con batterie relativamente meno dense di energia, o aerei elettrici ibridi, dove il carburante per jet fa il lavoro duro e le batterie fanno il coasting.

Ma non c’è davvero nessuna azienda che lavora in questo spazio vicino alla commercializzazione. Inoltre, il tipo di salto tecnologico richiesto per un aereo commerciale completamente elettrico richiederà probabilmente decenni, dice Venkat Viswanathan, un esperto di batterie alla Carnegie Mellon University.

Reuters/Alister Doyle

La sfida energetica

La Tesla Model 3, il modello più accessibile dell’azienda, parte da 35.000 dollari. Funziona con una batteria da 50 kWh, che costa circa 8.750 dollari, o il 25% del prezzo totale dell’auto.

Questo è ancora incredibilmente conveniente rispetto a non molto tempo fa. Secondo Bloomberg New Energy Finance, il costo medio globale per le batterie agli ioni di litio nel 2018 era di circa 175 dollari per kWh – da quasi 1.200 dollari per kWh nel 2010.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti calcola che quando i costi delle batterie scenderanno sotto i 125 dollari per kWh, possedere e gestire un’auto elettrica sarà più economico di un’auto a gas nella maggior parte del mondo. Questo non significa che i veicoli elettrici vinceranno sui veicoli a gas in tutte le nicchie e in tutti i campi – per esempio, i camion a lungo raggio non hanno ancora una soluzione elettrica. Ma è un punto di svolta in cui la gente comincerà a preferire le auto elettriche semplicemente perché avranno più senso economico nella maggior parte dei casi.

Un modo per arrivarci è aumentare la densità energetica delle batterie – per stipare più kWh in un pacco batterie senza abbassare il suo prezzo. I chimici delle batterie possono farlo, in teoria, aumentando la densità energetica del catodo o dell’anodo, o di entrambi.

Il catodo più denso di energia sulla strada della disponibilità commerciale è l’NMC 811 (ogni cifra nel numero rappresenta il rapporto di nichel, manganese e cobalto, rispettivamente, nel mix). Non è ancora perfetto. Il problema più grande è che può sopportare solo un numero relativamente piccolo di cicli di vita di carica-scarica prima di smettere di funzionare. Ma gli esperti prevedono che l’industria R&D dovrebbe risolvere i problemi dell’NMC 811 entro i prossimi cinque anni. Quando ciò accadrà, le batterie che utilizzano l’NMC 811 avranno una densità di energia superiore del 10% o più.

Tuttavia, un aumento del 10% non è poi così tanto nel quadro generale.
E, mentre una serie di innovazioni negli ultimi decenni ha spinto la densità di energia dei catodi sempre più in alto, gli anodi sono dove si trovano le maggiori opportunità di densità di energia.

La grafite è stata e rimane di gran lunga il materiale anodico dominante. È economica, affidabile e relativamente densa di energia, specialmente se paragonata agli attuali materiali catodici. Ma è abbastanza debole se messa a confronto con altri potenziali materiali anodici, come il silicio e il litio.

Il silicio, per esempio, è teoricamente molto meglio della grafite nell’assorbire gli ioni di litio. Ecco perché un certo numero di aziende produttrici di batterie stanno cercando di aggiungere un po’ di silicio alla grafite nei loro progetti di anodi; il CEO di Tesla, Elon Musk, ha detto che la sua azienda lo sta già facendo nelle sue batterie agli ioni di litio.

Un passo più grande sarebbe quello di sviluppare un anodo commercialmente praticabile fatto completamente di silicio. Ma l’elemento ha delle caratteristiche che lo rendono difficile. Quando la grafite assorbe ioni di litio, il suo volume non cambia molto. Un anodo di silicio, tuttavia, si gonfia fino a quattro volte il suo volume originale nello stesso scenario.

Purtroppo, non si può semplicemente fare l’involucro più grande per ospitare questo rigonfiamento, perché l’espansione rompe quella che viene chiamata “interfase dell’elettrolita solido”, o SEI, dell’anodo di silicio.

Si può pensare al SEI come a una sorta di strato protettivo che l’anodo crea per se stesso, simile al modo in cui il ferro forma la ruggine, nota anche come ossido di ferro, per proteggersi dagli elementi: Quando si lascia un pezzo di ferro appena forgiato all’esterno, esso reagisce lentamente con l’ossigeno dell’aria per arrugginire. Sotto lo strato di ruggine, il resto del ferro non subisce la stessa sorte e quindi mantiene l’integrità strutturale.

Al termine della prima carica di una batteria, l’elettrodo forma il proprio strato di “ruggine” – il SEI – separando la parte non erosa dell’elettrodo dall’elettrolita. Il SEI impedisce ad altre reazioni chimiche di consumare l’elettrodo, assicurando che gli ioni di litio possano fluire il più agevolmente possibile.

Ma con un anodo di silicio, il SEI si rompe ogni volta che la batteria viene usata per alimentare qualcosa, e si riforma ogni volta che la batteria viene caricata. E durante ogni ciclo di carica, si consuma un po’ di silicio. Alla fine, il silicio si dissipa al punto che la batteria non funziona più.

Nell’ultimo decennio, alcune startup della Silicon Valley hanno lavorato per risolvere questo problema. Per esempio, l’approccio di Sila Nano è quello di racchiudere gli atomi di silicio in un guscio di dimensioni nano con molto spazio vuoto all’interno. In questo modo, il SEI si forma all’esterno del guscio e l’espansione degli atomi di silicio avviene al suo interno senza frantumare il SEI dopo ogni ciclo di carica-scarica. L’azienda, valutata 350 milioni di dollari, dice che la sua tecnologia alimenterà i dispositivi già nel 2020.

Enovix, d’altra parte, applica una speciale tecnica di fabbricazione per mettere un anodo di silicio al 100% sotto un’enorme pressione fisica, costringendolo ad assorbire meno ioni di litio e quindi limitando l’espansione dell’anodo e impedendo la rottura del SEI. L’azienda ha investimenti da Intel e Qualcomm, e si aspetta anche di avere le sue batterie nei dispositivi entro il 2020.

Questi compromessi significano che l’anodo di silicio non può raggiungere la sua alta densità energetica teorica. Tuttavia, entrambe le aziende dicono che i loro anodi hanno prestazioni migliori di un anodo di grafite. Terze parti stanno attualmente testando le batterie di entrambe le aziende.

Tesla

La sfida della sicurezza

Tutti i ritocchi molecolari fatti per impacchettare più energia nelle batterie possono arrivare a costo della sicurezza. Fin dalla sua invenzione, la batteria agli ioni di litio ha causato mal di testa a causa della frequenza con cui prende fuoco. Negli anni ’90, per esempio, la canadese Moli Energy ha commercializzato una batteria al litio-metallo da usare nei telefoni. Ma nel mondo reale, le sue batterie hanno iniziato a prendere fuoco, e Moli è stata costretta a richiamare e, infine, a dichiarare fallimento. (Alcuni dei suoi beni sono stati acquistati da una società taiwanese e vende ancora batterie agli ioni di litio con il marchio E-One Moli Energy). Più recentemente, gli smartphone Galaxy Note 7 di Samsung, che erano fatti con moderne batterie agli ioni di litio, hanno iniziato a esplodere nelle tasche della gente. Il conseguente richiamo dei prodotti del 2016 è costato al gigante sudcoreano 5,3 miliardi di dollari.

Le batterie agli ioni di litio di oggi hanno ancora rischi intrinseci, perché usano quasi sempre liquidi infiammabili come elettrolita. È una delle sfortunate stranezze della natura (per noi umani) che i liquidi in grado di trasportare facilmente gli ioni tendono anche ad avere una soglia più bassa per prendere fuoco. Una soluzione è usare elettroliti solidi. Ma questo significa altri compromessi. Il design di una batteria può facilmente includere un elettrolita liquido che è in contatto con ogni pezzo degli elettrodi rendendolo capace di trasferire efficientemente gli ioni. È molto più difficile con i solidi. Immaginate di far cadere un paio di dadi in una tazza d’acqua. Ora immaginate di far cadere gli stessi dadi in una tazza di sabbia. Ovviamente, l’acqua toccherà molta più superficie dei dadi che la sabbia.

Finora, l’uso commerciale delle batterie agli ioni di litio con elettroliti solidi è stato limitato ad applicazioni a bassa potenza, come per i sensori collegati a Internet. Gli sforzi per aumentare le batterie allo stato solido – cioè senza elettrolita liquido – possono essere ampiamente classificati in due categorie: polimeri solidi ad alte temperature e ceramiche a temperatura ambiente.

Polimeri solidi ad alte temperature

I polimeri sono lunghe catene di molecole legate insieme. Sono estremamente comuni nelle applicazioni quotidiane – i sacchetti di plastica monouso sono fatti di polimeri, per esempio. Quando alcuni tipi di polimeri vengono riscaldati, si comportano come liquidi, ma senza l’infiammabilità degli elettroliti liquidi utilizzati nella maggior parte delle batterie. In altre parole, hanno l’alta conduttività degli ioni come un elettrolita liquido senza i rischi.

Ma hanno dei limiti. Possono funzionare solo a temperature superiori ai 105°C (220°F), il che significa che non sono opzioni pratiche per, diciamo, gli smartphone. Ma possono essere usati per immagazzinare energia dalla rete nelle batterie di casa, per esempio. Almeno due aziende – la statunitense SEEO e la francese Bolloré – stanno sviluppando batterie allo stato solido che usano polimeri ad alta temperatura come elettrolita.

Ceramiche a temperatura ambiente

Nell’ultimo decennio, due classi di ceramiche-LLZO (litio, lantanio e ossido di zirconio) e LGPS (litio, germanio, solfuro di fosforo) hanno dimostrato di condurre gli ioni a temperatura ambiente quasi quanto i liquidi.

Toyota, così come la startup QuantumScape della Silicon Valley (che ha raccolto 100 milioni di dollari di finanziamento da Volkswagen l’anno scorso), stanno entrambi lavorando per implementare la ceramica nelle batterie agli ioni di litio. L’inclusione di grandi giocatori nello spazio è indicativo del fatto che una svolta potrebbe essere più vicina di quanto molti pensino.

“Siamo abbastanza vicini a vedere qualcosa di reale in due o tre anni”, dice Viswanathan di Carnegie Mellon.

Un atto di equilibrio

Le batterie sono già un grande business, e il loro mercato continua a crescere. Tutto quel denaro attira un sacco di imprenditori con ancora più idee. Ma le startup sulle batterie sono scommesse difficili: vanno in fumo anche più spesso delle aziende di software, che sono note per il loro alto tasso di fallimento. Questo perché l’innovazione nelle scienze dei materiali è difficile.

Finora i chimici delle batterie hanno scoperto che, quando cercano di migliorare una caratteristica (diciamo la densità di energia), devono scendere a compromessi su qualche altra caratteristica (diciamo la sicurezza). Questo tipo di bilanciamento ha significato che il progresso su ogni fronte è stato lento e irto di problemi.

Ma con più occhi sul problema – Yet-Ming Chiang del MIT stima che ci siano tre volte più scienziati di batterie negli Stati Uniti oggi che solo 10 anni fa – le possibilità di successo salgono. Il potenziale delle batterie rimane enorme, ma date le sfide che ci attendono, è meglio guardare ogni affermazione sulle nuove batterie con una buona dose di scetticismo.