211service.com
Nuove batterie al litio-metallo guideranno il passaggio alle auto elettriche
Un nuovo tipo di batteria potrebbe finalmente rendere le auto elettriche comode ed economiche come quelle a gas.
Un diffrattometro a raggi X viene utilizzato per controllare i componenti della batteria su QuantumScape. I colpevoli sono Wintermeyer
24 febbraio 2021
Perchè importa:I limiti di prestazioni delle batterie hanno frenato il passaggio ad auto elettriche più pulite e hanno quasi escluso gli aerei elettrici.
Giocatori chiave:• QuantumScape
• Samsung Advanced Institute of Technology
• Potenza solida
• 24M
Disponibilità:2025
Nonostante tutto il clamore e la speranza sui veicoli elettrici, rappresentano ancora solo il 2% circa delle vendite di auto nuove negli Stati Uniti e solo un po' di più a livello globale.
Per molti acquirenti, sono semplicemente troppo costosi, la loro autonomia è troppo limitata e caricarli non è così veloce e conveniente come il rifornimento alla pompa.
Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2021
- Vedi il resto del problema
- sottoscrivi
Tutte queste limitazioni hanno a che fare con le batterie agli ioni di litio che alimentano i veicoli. Sono costosi, pesanti e veloci a rimanere senza succo. A peggiorare le cose, le batterie si basano su elettroliti liquidi che possono prendere fuoco durante le collisioni.
Rendere le auto elettriche più competitive con quelle alimentate a gas richiederà una batteria rivoluzionaria che rimedi a queste carenze. Questo, almeno, è l'argomento di Jagdeep Singh, amministratore delegato di QuantumScape, una startup della Silicon Valley che afferma di aver sviluppato solo una tale tecnologia .
L'azienda afferma di averlo fatto risolvendo un enigma chimico che ha lasciato i ricercatori perplessi per quasi mezzo secolo: come utilizzare il litio, il metallo più leggero della tavola periodica, per aumentare la quantità di energia che può essere confezionata in una batteria senza creare problemi rischio ordinario di incendio o di sacrificare in altro modo le prestazioni. L'azienda afferma di aver raggiunto questo obiettivo, in gran parte, sviluppando una versione solida dell'elettrolita liquido infiammabile.
La VW è rimasta abbastanza colpita da investire centinaia di milioni di dollari in QuantumScape. Il colosso automobilistico tedesco ha anche accettato di creare una joint venture con l'azienda per produrre in serie le batterie e afferma che saranno nelle sue auto elettriche e camion su strada entro il 2025.
Ricarica più veloce e autonomia più lunga
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 carichi che fanno la spola avanti e indietro tra l'anodo e il catodo attraverso l'elettrolita. Quel flusso di particelle cariche produce una corrente elettrica, che fuoriesce dalla batteria per alimentare tutto ciò che necessita di alimentazione. Ma la grafite è semplicemente un ospite per gli ioni di litio, che si annidano tra fogli di carbonio come pacchi 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 anche essere messo in funzione creando corrente. Teoricamente, una batteria a base di anodo metallico al litio potrebbe immagazzinare il 50% in più di energia 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 ne provocano la combustione, afferma Venkat Viswanathan, professore associato alla Carnegie Mellon che lavora sulle batterie al litio metallico ed è un consulente per 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 provocarne l'incendio.
La cella prototipo di QuantumScape presenta una versione solida dell'elettrolita solitamente liquido.
WINNI WINTERMEYERQuantumScape, che è diventato pubblico a novembre dopo aver operato in modalità invisibile per un decennio, sta ancora trattenendo alcuni dei dettagli critici su come la sua batteria a elettrolita solido risolve questi problemi. Ma sembra funzionare molto bene.
In una presentazione online a dicembre, la startup 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% della sua capacità in 15 minuti, dura per centinaia di migliaia di miglia e funziona bene a temperature di congelamento. L'azienda prevede che le batterie saranno in grado di aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici di oltre l'80%: un'auto che oggi può percorrere 250 miglia con una singola carica potrebbe invece percorrere 450 miglia.
QuantumScape mi ha messo alle calcagna, afferma Nancy Dudney, ricercatrice di batterie presso l'Oak Ridge National Laboratory, che ha svolto un lavoro pionieristico sugli elettroliti a stato solido. A prima vista, sembra davvero buono, dice, anche se aggiunge: Siamo stati qui prima con altri progressi della batteria.
In effetti, il campo delle batterie è disseminato di esempi di startup che promettevano tecnologie rivoluzionarie ma alla fine fallirono. E le sfide che attendono QuantumScape sono scoraggianti, in particolare quando si tratta di convertire le sue celle prototipo in prodotti commerciali che possono essere fabbricati a basso costo.
Se l'azienda ha successo, potrebbe trasformare il mercato dei veicoli elettrici. Tagliare i costi, aumentare l'autonomia e rendere la ricarica conveniente quasi quanto il rifornimento in una stazione di servizio potrebbe ampliare la domanda oltre le persone che possono permettersi di sborsare migliaia di dollari per ricaricare le porte di casa e alleviare le ansie di coloro che temono di rimanere bloccati. viaggi più lunghi.
La maggiore densità di energia e la ricarica più rapida potrebbero anche rendere più pratico l'elettrificazione di altri mezzi di trasporto, inclusi i trasporti a lungo raggio e persino i voli a breve distanza. (Come bonus, fornirebbe anche telefoni e laptop che potrebbero durare un paio di giorni con una sola carica.)
Nascita di una batteria
La storia delle batterie al litio-metallo inizia nei primi anni '70 ed è strettamente intrecciata con lo sviluppo di quelle agli ioni di litio da cui dipendiamo oggi.
Le crisi petrolifere dell'epoca, insieme a quelli che si sarebbero rivelati i primi timori per il picco del petrolio, hanno improvvisamente riacceso l'interesse per i veicoli elettrici per la prima volta dall'inizio dell'industria automobilistica. Nel 1972, American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW e altri stavano tutti lavorando su auto elettriche, come descrive lo scrittore scientifico Seth Fletcher nel libro Illuminazione in bottiglia . Nel frattempo, i grandi laboratori industriali, compresi quelli di GE, Dow Chemical ed Exxon, stavano cercando prodotti chimici per batterie migliori.
Le batterie di allora, che erano per lo più piombo-acido, non potevano fornire nulla vicino alle distanze o alle velocità dei motori a gas. Nel 1969 la General Motors auto elettrica sperimentale 512 vantava una velocità massima di circa 30 miglia orarie, con un'autonomia di 47 miglia.
In una batteria agli ioni di litio, gli ioni di litio si spostano avanti e indietro tra l'anodo e il catodo mentre la batteria si carica e si scarica. Nella batteria di QuantumScape, gli ioni viaggiano attraverso un separatore e formano uno strato perfettamente piatto tra esso e il contatto elettrico, creando l'anodo quando è carico. Manca di un anodo nel suo stato esaurito.
Nel 1972, la divisione di ricerca della Exxon assunse un giovane chimico di nome Stan Whittingham sulla base del suo lavoro post-dottorato a Stanford. In particolare, stava sviluppando materiali cristallini che consentissero 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 hanno accoppiato con un anodo a base di litio metallico, un materiale altamente reattivo che rilascia prontamente i suoi elettroni. Ha funzionato sorprendentemente bene.
Il team ha richiesto un brevetto nel 1973, ha pubblicato un punto di riferimento carta in Scienza nel 1976, e ha mostrato una versione più grande delle cellule a un salone dell'auto nel 1977 .
All'inizio degli anni '80, la crisi petrolifera era passata. Il nuovo management di Exxon ha deciso di abbandonare qualsiasi linea di business senza il potenziale per diventare un mercato annuale da 100 milioni di dollari. L'azienda ha abbandonato i suoi sforzi per veicoli elettrici e batterie. Hanno detto: 'Questi sono troppo piccoli per essere coinvolti', dice Whittingham.
Gli ioni di litio prendono il sopravvento
Le batterie al litio-metallo erano di gran lunga superiori alle batterie al piombo, ma avevano anche degli inconvenienti intrinseci che il team Exxon non aveva mai risolto, inclusa la loro abitudine di accendere fuochi in laboratorio.
Altri che hanno tentato di commercializzare batterie al litio-metallo hanno riscontrato problemi simili. Negli anni '80, Moli Energy della British Columbia ha sviluppato una batteria al litio-metallo da 2,2 volt per laptop e telefoni cellulari. Ma nel 1989 un cellulare giapponese prese fuoco, bruciando il suo proprietario . Dopo che un'indagine ha attribuito la colpa alla batteria, migliaia di telefoni cellulari sono stati richiamati e la società è andata in amministrazione controllata, secondo Electric Autonomy Canada.
Nel frattempo, altri stavano costruendo sul lavoro di Whittingham. John Goodenough, ora professore all'Università del Texas ad Austin, ha utilizzato l'ossido di cobalto anziché il disolfuro di titanio per sviluppare un catodo in grado di immagazzinare più energia. Akira Yoshino, professore alla Meijo University, ha sostituito l'anodo di litio puro con il coke (un'altra forma di carbonio), che potrebbe ancora immagazzinare molti ioni di litio ma ridurre i pericoli di incendio. Infine, i ricercatori della Sony hanno assemblato i pezzi per sviluppare le prime batterie commerciali agli ioni di litio nel 1992. Whittingham, Goodenough e Yoshino ha condiviso il Premio Nobel per la chimica nel 201 9 per i loro ruoli nella svolta.
Il successo travolgente delle batterie agli ioni di litio, che ora alimentano i nostri laptop, telefoni e veicoli elettrici, ha annullato gli sforzi per commercializzare la tecnologia al litio-metallo negli anni a venire. Ma alcuni non hanno mai perso di vista il potenziale del litio metallico di essere una forma più efficiente di accumulo di energia. E la sostituzione degli elettroliti liquidi standard, che sono effettivamente solventi combustibili, con materiali solidi sembrava una strada di esplorazione particolarmente promettente.
Intorno al 2000, un team dell'Oak Ridge National Laboratory ha dimostrato batterie a film sottile, del tipo utilizzato in piccoli dispositivi elettronici come smart card e pacemaker, che utilizzavano la tecnologia al litio-metallo a stato solido. Il processo di produzione, le dimensioni e la forma delle batterie a film sottile limitano per lo più il loro utilizzo 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 ha fornito una prova fondamentale del concetto per una batteria al litio-metallo funzionante.
Uccisione su strada
Diverse startup avevano ricominciato a perseguire la tecnologia alla fine degli anni 2000. Ma si è rivelata una strada insidiosa.
Alcuni hanno già chiuso. Seeo, costituita nel 2007, è stata acquistata dalla società tedesca Bosch, che in seguito ha sciolto i suoi sforzi di ricerca sulle batterie. Bolloré, con sede in Francia, è stata la prima a inserire batterie al litio metallico 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, limitandone l'uso nei veicoli di consumo .
I catodi per le batterie di QuantumScape sono realizzati su questa linea di fabbricazione.
WINNI WINTERMEYERUna manciata di altre società, tuttavia, ha fatto progressi più recenti. 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 .
E a gennaio, la divisione ARPA-E del Dipartimento dell'Energia ha annunciato che avrebbe investito 9 milioni di dollari in uno sforzo della società di batterie 24M e della Viswanathan di Carnegie Mellon per sviluppare batterie al litio-metallo progettate per aerei elettrici, dove l'energia immagazzinata e la potenza erogata per chilogrammo sono cruciale.
Avvio di QuantumScape
Il trucco per qualsiasi azienda che sviluppa batterie al litio-metallo è stato quello di individuare materiali elettrolitici che prevengano incendi e dendriti consentendo comunque agli ioni di passare facilmente e senza degradare in altro modo le prestazioni della batteria. Ed è esattamente ciò che QuantumScape afferma di aver fatto.
Storia correlata
Questa batteria super densa di energia potrebbe quasi raddoppiare l'autonomia dei veicoli elettrici Ma alcuni osservatori non sono convinti che le batterie al litio-metallo di QuantumScape alimenteranno auto e camion sulla strada non appena l'azienda afferma.Le origini dell'azienda risalgono al 2009. Mentre Singh si preparava a dimettersi dalla carica di CEO di Infinera, una società di networking di cui è cofondatore, iniziò a parlare con il post-dottorato di Stanford Tim Holme e il suo consulente, Friedrich Prinz, della creazione di una società basata su la loro ricerca su nuovi materiali per batterie.
Il trio ha cofondato QuantumScape l'anno successivo, con l'obiettivo di sviluppare batterie ad alta densità di energia 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 sembrava inizialmente.
A quel punto, la società aveva raccolto decine di milioni di dollari da società di venture capital come Kleiner Perkins e Khosla Ventures. Ciò ha lasciato QuantumScape con abbastanza soldi per cambiare silenziosamente direzione, perseguendo il sogno della tecnologia al litio-metallo.
L'azienda ha trascorso i successivi cinque anni alla ricerca del materiale giusto per sviluppare un elettrolita a stato solido, afferma Singh. Ha poi speso altri cinque per elaborare la giusta composizione e il processo di produzione per prevenire difetti e dendriti. Tutto ciò che l'azienda dirà del suo elettrolita è che è una ceramica.
Siamo arrivati?
Tutti i test pubblicati da QuantumScape finora sono stati eseguiti su cellule a strato singolo. (Dopo che questo pezzo è andato in stampa, l'azienda ha annunciato di aver prodotto e condotto test su celle a 4 strati che hanno ottenuto risultati simili.) Per funzionare nelle automobili, l'azienda dovrà produrre batterie imballate con diverse decine di strati , passando di fatto da una singola carta da gioco a un mazzo. E dovrà ancora trovare un modo per produrre queste celle a un prezzo sufficientemente basso da competere con gli ioni di litio, una tecnologia delle batterie dominata da decenni.
È un compito ingegneristico scoraggiante. Sono in parte lì: dopo 10 anni e $ 300 milioni e 150 persone che ci hanno lavorato, ora hanno questa piccola carta da gioco, dice Albertus, dell'Università del Maryland. È ancora molto lontano dalla fornitura di batterie su una scala di migliaia di tonnellate metriche ed è una sfida davvero difficile. Diversi ricercatori sulle batterie mi hanno detto che dubitano seriamente che QuantumScape possa aumentare e completare i test di sicurezza completi in tempo per mettere le batterie nelle auto in circolazione 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 sia più probabile che i problemi che hanno trattenuto il litio metallico per decenni possano essere risolti, motivo per cui è nell'elenco di MIT Technology Review tecnologie innovative quest'anno. Ma è anche chiaro che, nonostante tutti i progressi compiuti dai tempi di Whittingham alla Exxon, ci aspettano ancora anni di lavoro.
Aggiornamento: questa storia è stata aggiornata per correggere un errore relativo alla quantità di energia aggiuntiva che una batteria al litio-metallo può teoricamente immagazzinare.
2021