Le batterie agli ioni di litio hanno appena fatto un grande salto in un prodotto minuscolo

L'OMS 4.0. OPPURE

Un'azienda di materiali ad Alameda, in California, ha trascorso l'ultimo decennio lavorando per aumentare l'energia immagazzinata nelle batterie agli ioni di litio, un progresso che potrebbe consentire gadget più piccoli e veicoli elettrici con un'autonomia molto maggiore.

Sila ha sviluppato particelle a base di silicio che possono sostituire la grafite negli anodi e trattenere più ioni di litio che trasportano la corrente in una batteria.

Ora l'azienda sta consegnando per la prima volta il suo prodotto al mercato, fornendo una parte della polvere anodica nella batteria del prossimo Ops 4.0, un indossabile fitness. È un dispositivo piccolo ma potenzialmente un grande passo avanti per il campo delle batterie, dove i risultati promettenti di laboratorio spesso non riescono a tradursi in successo commerciale.

Pensa a Whoop 4.0 come al nostro Tesla Roadster , afferma Gene Berdichevsky, CEO di Sila, che in qualità di settimo dipendente di Tesla ha contribuito a risolvere alcune delle sfide critiche della batteria per il primo veicolo elettrico dell'azienda. È davvero il primo dispositivo sul mercato che sta dimostrando questa svolta.

Celle batteria prodotte con particelle a base di silicio di Sila.

SILA

I materiali dell'azienda, con un leggero aiuto di altri progressi, hanno aumentato la densità di energia nella batteria del fitness tracker di circa il 17%. Questo è un guadagno significativo in un campo che generalmente avanza di pochi punti percentuali all'anno.

Equivale a circa quattro anni di progresso standard, ma in un grande salto, afferma Venkat Viswanathan, professore associato di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University.

La Sila deve ancora affrontare alcune sfide tecniche reali, ma il progresso è un segnale promettente per il potenziale di batterie sempre più capaci di aiutare il mondo ad allontanarsi dai combustibili fossili mentre i pericoli del cambiamento climatico accelerano. Aumentare la quantità di energia che le batterie possono immagazzinare rende più facile per fonti di elettricità sempre più pulite alimentare più edifici, veicoli, fabbriche e aziende.

Per il settore dei trasporti, una batteria più densa di energia può ridurre i costi o estendere l'autonomia dei veicoli elettrici, affrontando due dei maggiori problemi che hanno scoraggiato i consumatori dal rinunciare ai loro consumatori di gas. Promette inoltre di fornire batterie di rete in grado di risparmiare più energia dai parchi solari ed eolici o gadget di consumo che durano più a lungo tra una ricarica e l'altra.

La densità di energia è la chiave per l'elettrificazione di tutto, dice Berdichevsky, an Innovatore Under 35 nel 2017.

Nel caso del nuovo dispositivo indossabile per il fitness, i nuovi materiali della batteria e altri miglioramenti hanno consentito a Whoop, con sede a Boston, di ridurre il dispositivo del 33% mantenendo cinque giorni di durata della batteria. Il prodotto è ora abbastanza sottile da poter essere inserito in abbigliamento smart oltre ad essere indossato come un orologio. Sarà in vendita l'8 settembre.

Sila, che ha annunciato 590 milioni di dollari di finanziamento a gennaio, ha anche avviato partnership per sviluppare materiali per batterie per case automobilistiche tra cui BMW e Daimler. La società ha affermato che la sua tecnologia potrebbe eventualmente racchiudere fino al 40% in più di energia nelle batterie agli ioni di litio.

Prevenire gli incendi

Berdichevsky fece un colloquio e ottenne il suo lavoro alla Tesla prima del suo ultimo anno alla Stanford University, dove stava lavorando per una laurea in ingegneria meccanica. Ha finito per svolgere un ruolo chiave nell'affrontare un rischio potenzialmente esistenziale per l'azienda: che un incendio in una qualsiasi delle migliaia di batterie racchiuse in un veicolo avrebbe incendiato l'intero pacco.

Ha istituito un programma per valutare sistematicamente una serie di progetti di batterie. Dopo centinaia di test, l'azienda ha sviluppato una combinazione di disposizioni della batteria, materiali per il trasferimento di calore e canali di raffreddamento che hanno in gran parte impedito incendi incontrollati.

Dopo che Tesla ha lanciato la Roadster, Berdichevsky ha ritenuto di doversi impegnare per altri cinque anni per assistere l'azienda nello sviluppo del prossimo veicolo, la Model S, oppure di cogliere l'occasione per provare qualcosa di nuovo.

Alla fine, ha deciso di voler costruire qualcosa di suo.

Gene Berdichevsky, amministratore delegato e cofondatore di Sila.

DAVID PAUL MORRIS/SILA

Berdichevsky è tornato a Stanford per un master in studio di materiali, termodinamica e fisica, nella speranza di trovare modi per migliorare lo stoccaggio a livello fondamentale. Dopo la laurea, ha trascorso un anno come imprenditore in residenza presso Sutter Hill Ventures, alla ricerca di idee che potessero costituire la base della propria attività.

Durante quel periodo, si è imbattuto in uno scientifico carta identificare un metodo per produrre particelle a base di silicio per anodi di batterie agli ioni di litio.

I ricercatori vedono da tempo il silicio come un modo promettente per aumentare l'energia nelle batterie, perché i suoi atomi possono legarsi con 10 volte più ioni di litio in peso rispetto alla grafite. Ciò significa che contengono molte più molecole cariche che producono la corrente elettrica in una batteria. Ma gli anodi di silicio tendevano a sgretolarsi durante la carica, poiché si gonfiavano per accogliere gli ioni che si spostano avanti e indietro tra gli elettrodi.

L'articolo, coautore del professore del Georgia Institute of Technology Gleb Yushin, ha evidenziato la possibilità di sviluppare materiali in silicio rigido con un nucleo poroso che potrebbe più accettare e rilasciare facilmente gli ioni di litio .

L'anno successivo, Berdichevsky ha cofondato Sila con Yushin e Alex Jacobs, un altro ex ingegnere Tesla.

Ostacoli e ritardi

L'azienda ha trascorso il decennio successivo a modificare i suoi metodi e materiali, lavorando su oltre 50.000 iterazioni della chimica e aumentando la sua capacità di produzione. All'inizio, ha deciso di sviluppare materiali drop-in che i produttori di batterie agli ioni di litio potessero sostituire, piuttosto che perseguire la strada più costosa e rischiosa della produzione stessa di batterie complete.

Tuttavia, Sila non è così avanti come inizialmente sperava.

Dopo essersi assicurata diversi milioni di dollari dalla divisione ARPA-E del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la società a un certo punto ha detto all'agenzia di ricerca che i suoi materiali potrebbero essere nei prodotti entro il 2017 e nei veicoli entro il 2020. Nel 2018, quando Sila ha annunciato il suo accordo con BMW, ha affermato che le sue particelle potrebbero aiutare ad alimentare i veicoli elettrici della casa automobilistica tedesca entro il 2023.

Berdichevsky afferma che la società ora prevede di entrare nei veicoli più come nel 2025. Dice che risolvere i problemi dell'ultimo miglio è stato semplicemente più difficile di quanto si aspettassero. Le sfide includevano la collaborazione con i produttori di batterie per ottenere le migliori prestazioni dai nuovi materiali.

Eravamo ingenuamente ottimisti riguardo alle sfide del ridimensionamento e dell'introduzione dei prodotti sul mercato, ha affermato in un'e-mail.

Le notizie di Whoop segnalano che Sila è stata in grado di progettare le particelle in un modo che offra sicurezza, cicli di vita e altri parametri di riferimento delle prestazioni della batteria simili a quelli raggiunti nei prodotti esistenti.

Ma è da notare che le particelle di Sila forniranno solo il 25% circa della capacità dell'anodo della batteria, mentre i materiali di grafite standard forniscono il resto.

Viswanathan afferma che il test più grande andrà dalla sostituzione parziale a quella totale della grafite. Ciò richiede un livello maggiore di precisione e prestazioni, che descrive come la differenza tra un doppio e un fuoricampo.

Inoltre, afferma, l'azienda deve ancora affrontare sfide significative che vanno dai dispositivi di consumo alle richieste più rigorose dei veicoli elettrici. Auto, camion e autobus necessitano di batterie ad alta densità di energia, estremamente sicure che si caricano rapidamente e durano per molti cicli di vita, tra le altre cose. Il problema con la chimica delle batterie è che il miglioramento dei materiali e dei processi coinvolti in uno standard di prestazioni può spesso arrivare a scapito di altri, afferma Viswanathan.

Berdichevsky afferma che i materiali della batteria di Sila sostituiranno completamente la grafite nel suo prossimo prodotto commerciale, che secondo lui è bloccato e caricato con un partner che non può ancora annunciare. E a differenza di altri promettenti materiali per batterie che stanno guadagnando l'attenzione della stampa e degli investitori in questi giorni, come il litio metallico , i materiali siliconici di Sila sono già nei prodotti.

Crediamo fermamente che la speranza e il clamore non cambino il mondo, ma la spedizione lo fa, dice.

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