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Perché non abbiamo innovazioni nella batteria
Un progresso promettente che non ha portato a nulla suggerisce cosa servirà per produrre batterie economiche per auto elettriche. 10 febbraio 2015
Le auto elettriche sono veloci e silenziose, con un'autonomia più che sufficiente per la maggior parte dei pendolari. Se vuoi un'auto con un'accelerazione estremamente veloce, la Tesla Model S è difficile da battere. E, naturalmente, i veicoli elettrici evitano l'inquinamento associato alle auto convenzionali, comprese le emissioni di anidride carbonica dalla combustione della benzina. Eppure rappresentano una piccola parte delle vendite automobilistiche, principalmente perché le batterie che le spingono sono costose e devono essere ricaricate frequentemente.
Una batteria migliore potrebbe cambiare tutto. Ma mentre negli ultimi dieci anni sono state annunciate innumerevoli scoperte, più e più volte questi progressi non sono riusciti a tradursi in batterie commerciali con qualcosa di simile ai miglioramenti promessi in termini di costi e stoccaggio dell'energia. Alcune startup ben finanziate, in particolare A123 Systems, hanno iniziato con affermazioni audaci ma non sono riuscite a fornire (vedi Cosa è successo ad A123?).
Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2015
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La centrale elettrica, un nuovo libro del giornalista Steve LeVine, racconta la storia dietro uno degli annunci di batteria più drammatici degli ultimi anni e spiega come non sia andata a buon fine (vedi La triste storia della svolta della batteria che si è rivelata troppo bella per essere vera). L'annuncio è stato fatto nel febbraio 2012, in una conferenza a Washington, DC, dove una folla di ricercatori, imprenditori e investitori era venuta per ascoltare artisti del calibro di Bill Gates e Bill Clinton esporre l'importanza della nuova tecnologia energetica e anche per attingere a una delle più recenti fonti di finanziamento a Washington, l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata per l'energia o ARPA-E. Fondata nel 2009, ARPA-E aveva il compito di identificare la ricerca potenzialmente trasformativa. Il capo di quell'agenzia, Arun Majumdar, era pronto a svelare uno dei suoi primi grandi successi: una batteria, sviluppata dalla startup Envia, in grado di immagazzinare il doppio dell'energia di una convenzionale. Il costo di una batteria che potrebbe portare un'auto da Washington a New York senza ricaricare, ha detto Majumdar, scenderebbe da $ 30.000 a $ 15.000. Le auto elettriche diventerebbero molto più convenienti e pratiche (vedi Un grande salto nella capacità della batteria).
In pochi mesi, GM ha concesso in licenza la tecnologia e ha firmato un accordo per supportarne lo sviluppo, ottenendo il diritto di utilizzare le batterie risultanti. L'accordo valeva potenzialmente centinaia di milioni di dollari per Envia, scrive LeVine. Ma presto Envia ricevette messaggi frustrati dagli ingegneri GM che non potevano riprodurre i risultati dell'avvio. L'anno dopo l'annuncio, l'accordo è stato annullato. L'impressionante batteria di Envia era stata un colpo di fortuna.
Cose recensite
La centrale elettrica
Di Steve LeVine
Vichingo, 2015
Il resoconto di LeVine del lavoro di Envia mostra perché è così difficile ottenere grandi progressi nelle batterie e perché le startup che promettono scoperte che cambiano il mondo hanno lottato. Nell'ultimo decennio abbiamo visto notevoli miglioramenti in questo settore, ma sono in gran parte derivati da aziende affermate che hanno costantemente fatto piccoli progressi.
La cella di Envia era un nuovo tipo di batteria agli ioni di litio. Inventate alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80 e commercializzate negli anni '90, queste batterie generano corrente elettrica quando gli ioni di litio si spostano tra due elettrodi. Leggeri ma potenti, hanno trasformato l'elettronica portatile. Il loro utilizzo nelle auto elettriche, tuttavia, è recente. Negli anni '90, GM utilizzava batterie al piombo acido più economiche per il suo EV-1 elettrico; ogni batteria pesava 600 chilogrammi ingombranti e consegnava solo da 55 a 95 miglia prima che fosse necessario ricaricarla. Quando Tesla Motors ha introdotto una delle prime auto elettriche alimentate agli ioni di litio nel 2008, poteva percorrere 250 miglia con una carica, circa tre volte più lontano dell'EV-1. Ma il veicolo costava oltre $ 100.000, in gran parte perché le batterie erano così costose. Per ridurre i costi, le auto elettriche agli ioni di litio prodotte oggi da aziende come Nissan e GM utilizzano piccoli pacchi batteria con un'autonomia inferiore a 100 miglia.
Sebbene nell'ultimo decennio siano state annunciate innumerevoli scoperte, più e più volte questi progressi non sono riusciti a tradursi in batterie commerciali.
Una cosa difficile dello sviluppo di batterie migliori è che la tecnologia è ancora poco conosciuta. La sostituzione di una parte di una batteria, ad esempio introducendo un nuovo elettrodo, può produrre problemi imprevisti, alcuni dei quali non possono essere rilevati senza anni di test. Per ottenere il tipo di progressi che i venture capitalist e l'ARPA-E cercano, Envia ha incorporato non solo uno ma due materiali sperimentali per elettrodi.
LeVine descrive cosa è andato storto. Nel 2006 Envia aveva concesso in licenza un promettente materiale sviluppato dai ricercatori dell'Argonne National Laboratory. Successivamente, è stato scoperto un grave problema. Il problema, che un dirigente di un'azienda di batterie ha definito un fattore di sventura, era che nel tempo la tensione a cui funzionava la batteria cambiava in modi che la rendevano inutilizzabile. I ricercatori Argonne hanno studiato il problema e non hanno trovato una risposta pronta. Non capivano la chimica e la fisica di base del materiale abbastanza bene da capire esattamente cosa stava andando storto, per non parlare di aggiustarlo, scrive LeVine.
Uno sguardo all'interno di una Tesla Model S mostra la batteria, una lastra grigia che occupa la maggior parte dello spazio tra le ruote anteriori e posteriori.
Con il suo materiale sperimentale per l'elettrodo opposto, questo a base di silicio, Envia ha affrontato un'altra sfida. I ricercatori avevano apparentemente risolto il problema principale con gli elettrodi di silicio: la loro tendenza a sfaldarsi. Ma la soluzione richiedeva tecniche di produzione poco pratiche.
Quando Envia ha fatto il suo annuncio nel 2012, sembrava aver capito come far funzionare entrambi questi materiali sperimentali. Ha sviluppato una versione dell'elettrodo di silicio che potrebbe essere prodotta in modo più economico. E attraverso tentativi ed errori si era imbattuto in una combinazione di rivestimenti che stabilizzavano la tensione del materiale Argonne. Il cofondatore di Envia, Sujeet Kumar, ha capito che la risposta era un composto di rivestimenti, scrive LeVine. Ma ancora non sapeva cosa stesse arrestando il composito o perché ci fosse riuscito. Poiché Envia era una startup con fondi limitati, non aveva gli strumenti per capirlo. Ma una volta che è diventato ovvio che i risultati che Envia aveva riportato per la sua batteria non potevano essere riprodotti, la comprensione del problema è diventata cruciale. Anche piccole modifiche alla composizione di un materiale possono avere un impatto significativo sulle prestazioni, quindi per quanto ne sapeva Envia, la sua batteria da record ha funzionato a causa di un contaminante in un lotto di materiale di uno dei suoi fornitori.
La storia di Envia è in netto contrasto con quello che si è rivelato essere lo sforzo recente di maggior successo per ridurre il prezzo delle batterie e migliorarne le prestazioni. Questo successo non è arrivato da una svolta, ma dalla stretta collaborazione tra Tesla Motors e il principale fornitore di celle per batterie Panasonic. Dal 2008, il costo dei pacchi batteria di Tesla è stato dimezzato circa, mentre la capacità di archiviazione è aumentata di circa il 60%. Tesla non ha tentato di cambiare radicalmente la chimica o i materiali nelle batterie agli ioni di litio; piuttosto, ha apportato miglioramenti incrementali all'ingegneria e alla produzione. Ha anche lavorato a stretto contatto con Panasonic per modificare la chimica dei materiali delle batterie esistenti in base alle precise esigenze delle sue auto.
Dal 2008, il costo dei pacchi batteria di Tesla è stato dimezzato circa, mentre la capacità di archiviazione è aumentata di circa il 60%.
Tesla afferma di essere sulla buona strada per produrre un'auto elettrica da $ 35.000 con un'autonomia di circa 200 miglia entro il 2017, un'impresa equivalente a ciò che GM sperava di ottenere con la nuova batteria di Envia. L'azienda prevede di vendere centinaia di migliaia di queste auto elettriche all'anno, il che sarebbe un grande salto rispetto alle decine di migliaia che vende ora. Tuttavia, affinché le auto elettriche rappresentino una parte significativa dei circa 60 milioni di auto vendute ogni anno in tutto il mondo, le batterie dovranno probabilmente migliorare notevolmente. Dopotutto, 200 miglia sono di gran lunga inferiori alle oltre 350 miglia che le persone sono abituate a percorrere con un pieno di benzina, e $ 35.000 sono ancora un po' più del prezzo di $ 15.000 di molte piccole auto a benzina.
Come colmeremo il divario? Probabilmente c'è ancora molto spazio per migliorare le batterie agli ioni di litio, anche se è difficile immaginare che il successo di Tesla con piccole modifiche alla chimica della batteria continuerà all'infinito. Ad un certo punto, potrebbero essere necessari cambiamenti radicali come quelli immaginati da Envia. Ma la lezione del fiasco di Envia è che tali cambiamenti devono essere strettamente integrati con le competenze di produzione e ingegneria.
Questo approccio sta già dando risultati promettenti con il materiale Argonne concesso in licenza da Envia. La batteria di Envia funzionava ad alta tensione per raggiungere livelli elevati di accumulo di energia. Ora i produttori di batterie stanno scoprendo che l'utilizzo di livelli di tensione più modesti può aumentare significativamente l'accumulo di energia senza i problemi che hanno turbato Envia. Nel frattempo, i ricercatori sulle batterie stanno pubblicando articoli che mostrano come tracce di additivi modificano il comportamento dei materiali, rendendo possibile aumentare la tensione e l'accumulo di energia. La chiave è combinare la ricerca che illumina i dettagli sulla chimica e la fisica delle batterie con l'esperienza che i produttori di batterie hanno acquisito nella realizzazione di prodotti pratici.
È un settore in cui è molto difficile per una startup, per quanto allettante la sua tecnologia, farcela da sola. Andy Chu, un ex dirigente di A123 Systems, fallita nel 2012, mi ha recentemente spiegato perché le grandi aziende dominano l'industria delle batterie. L'accumulo di energia è un gioco giocato da grandi giocatori perché ci sono così tante cose che possono andare storte in una batteria, ha detto. Spero che le startup abbiano successo. Ma puoi guardare la storia degli ultimi anni e non è andata bene.