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Questa batteria super densa di energia potrebbe quasi raddoppiare l'autonomia dei veicoli elettrici
La cella della batteria al litio-metallo a stato solido a strato singolo di QuantumScape. Cortesia: QuantumScape
Gli scienziati vedono da tempo le batterie al litio-metallo come una tecnologia ideale per l'accumulo di energia, sfruttando il metallo più leggero della tavola periodica per fornire celle piene di energia.
Ma per decenni ricercatori e aziende hanno cercato senza successo di produrre versioni ricaricabili a prezzi accessibili che non avessero la brutta abitudine di prendere fuoco.
Poi all'inizio di quest'anno Jagdeep Singh, l'amministratore delegato di QuantumScape, ha affermato in un'intervista a The Mobilist che l'azienda segreta e pesantemente finanziata della Silicon Valley aveva risolto le principali sfide tecniche. Ha aggiunto che la VW prevede di avere le batterie nelle sue auto e camion entro il 2025, promettendo di ridurre i costi e aumentare l'autonomia dei suoi veicoli elettrici.
Dopo essere stato quotato in borsa a novembre, QuantumScape è ora valutato intorno ai 20 miliardi di dollari, nonostante non abbia ancora prodotto o ricavi (e nessuna aspettativa che lo farà fino al 2024 ). VW ha investito più di 300 milioni di dollari nell'azienda e ha creato una joint venture con QuantumScape per produrre le batterie. La società ha anche raccolto centinaia di milioni da altri importanti investitori.
Tuttavia, fino ad ora Singh aveva rivelato pochi dettagli sulla batteria, spingendo ricercatori, rivali e giornalisti a perlustrare le domande di brevetto, i documenti degli investitori e altre fonti alla ricerca di indizi su ciò che esattamente l'azienda aveva ottenuto e come.
In un annuncio alla stampa martedì 8 dicembre, QuantumScape ha finalmente fornito i risultati tecnici dei test di laboratorio. La sua tecnologia è una batteria parzialmente a stato solido, il che significa che utilizza un elettrolita solido invece del liquido su cui si basa la maggior parte delle batterie per promuovere il movimento degli atomi carichi attraverso il dispositivo.
Numerosi ricercatori e aziende stanno esplorando la tecnologia a stato solido per una varietà di prodotti chimici delle batterie perché questo approccio ha il potenziale per migliorare la sicurezza e la densità di energia, sebbene lo sviluppo di una versione pratica si sia rivelato difficile.
L'azienda, con sede a San Jose, in California, sta ancora nascondendo alcuni dettagli sulla sua batteria, inclusi alcuni dei materiali e dei processi chiave che sta utilizzando per farla funzionare. e alcuni esperti rimangono scettici che QuantumScape ha davvero affrontato le difficili sfide tecniche che renderebbero possibile una batteria al litio-metallo nei veicoli commerciali nei prossimi cinque anni.
Risultati del test
In un'intervista con MIT Technology Review, Singh afferma che l'azienda ha dimostrato che le sue batterie soddisferanno efficacemente cinque esigenze chiave dei consumatori che finora hanno impedito ai veicoli elettrici di superare 2% delle nuove vendite di auto negli Stati Uniti : costi inferiori, maggiore autonomia, tempi di ricarica più brevi, maggiore durata totale su strada e maggiore sicurezza.
Qualsiasi batteria in grado di soddisfare questi requisiti può davvero aprire il 98% del mercato in un modo che non puoi fare oggi, dice.
Jagdeep Singh, CEO di QuantumScape
In effetti, i risultati delle prestazioni di QuantumScape sono notevoli.
Le batterie possono caricare fino all'80% della capacità in meno di 15 minuti. (Trend motorio fondare che il Supercharger V3 di Tesla ha portato una Model 3 dal 5% al 90% in 37 minuti, in un test dell'anno scorso.) E conservano oltre l'80% della loro capacità su 800 cicli di ricarica, che è l'equivalente approssimativo di guidare per 240.000 miglia. La batteria infatti mostra poco degrado anche se sottoposta a cicli di carica e scarica aggressivi.
Infine, l'azienda afferma che la batteria è progettata per raggiungere intervalli di guida che potrebbero superare di oltre l'80% quelli dei veicoli elettrici con batterie standard agli ioni di litio, sebbene ciò non sia stato ancora testato direttamente.
I dati di QuantumScape sono piuttosto impressionanti, afferma Paul Albertus, assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare all'Università del Maryland e in precedenza direttore del programma IONICS incentrato sullo stato solido dell'ARPA-E, che non ha alcuna affiliazione o relazione finanziaria con l'azienda.
L'azienda è andata molto oltre rispetto ad altre cose che ho visto nelle batterie al litio-metallo, aggiunge: hanno corso una maratona mentre tutti gli altri hanno fatto un 5K.
Come funziona
Allora come hanno ottenuto tutto questo?
In una batteria standard agli ioni di litio in un'auto elettrica oggi, uno dei due elettrodi (l'anodo) è principalmente realizzato in grafite, che immagazzina facilmente gli ioni di litio che si spostano avanti e indietro attraverso la batteria. In una batteria al litio-metallo, quell'anodo è costituito dal litio stesso. Ciò significa che quasi ogni elettrone può essere messo in funzione immagazzinando energia, che è ciò che spiega il maggiore potenziale di densità di energia.
Ma crea un paio di grandi sfide. Il primo è che il metallo è altamente reattivo, quindi se entra in contatto con un liquido, compreso l'elettrolita che supporta il movimento di quegli ioni nella maggior parte delle batterie, può innescare reazioni collaterali che degradano la batteria o provocano la combustione. Il secondo è che il flusso di ioni di litio può formare formazioni aghiformi note come dendriti, che possono perforare il separatore al centro della batteria, cortocircuitando la cella.
Nel corso degli anni, questi problemi hanno portato i ricercatori a provare a sviluppare elettroliti allo stato solido che non sono reattivi con il litio metallico, utilizzando ceramiche, polimeri e altri materiali.
Una delle innovazioni chiave di QuantumScape è stata lo sviluppo di un elettrolita ceramico a stato solido che funge anche da separatore. Con uno spessore di poche decine di micrometri, sopprime la formazione di dendriti consentendo comunque agli ioni di litio di passare facilmente avanti e indietro. (L'elettrolito all'altra estremità della batteria, il lato del catodo, è un gel di qualche forma, quindi non è una batteria completamente a stato solido.)
Singh rifiuta di specificare il materiale che stanno utilizzando, dicendo che è uno dei loro segreti commerciali più gelosamente custoditi. (Alcuni sospettano gli esperti di batterie , sulla base dei depositi di brevetto, che si tratta di un ossido noto come LLZO.) Ci sono voluti cinque anni per trovarlo; lo sviluppo della giusta composizione e del processo di fabbricazione per prevenire difetti e dendriti ha richiesto altri cinque.
L'azienda ritiene che il passaggio alla tecnologia a stato solido renderà le batterie più sicure rispetto alla varietà agli ioni di litio oggi sul mercato, che ancora occasionalmente prendono fuoco stessi in circostanze estreme.
L'altro grande vantaggio è che la batteria è prodotta senza un anodo distinto. (Vedi QuantumScape video qui per avere un'idea migliore del suo design senza anodi.)
Quando la batteria si carica, gli ioni di litio sul lato del catodo viaggiano attraverso il separatore e formano uno strato perfettamente piatto tra esso e il contatto elettrico all'estremità della batteria. Quasi tutto quel litio ritorna quindi al catodo durante il ciclo di scarica. Ciò elimina la necessità di qualsiasi materiale dell'anodo ospite che non contribuisce direttamente al compito di immagazzinare energia o trasportare corrente, riducendo ulteriormente il peso e il volume necessari. Dovrebbe anche ridurre i costi di produzione, afferma l'azienda.
Rischi rimanenti
C'è un problema, tuttavia: i risultati di QuantumScape provengono da test di laboratorio eseguiti su cellule a strato singolo. Una vera batteria per auto dovrebbe avere dozzine di strati che lavorano tutti insieme. Passare dalla linea pilota alla produzione commerciale è una sfida significativa nell'accumulo di energia e il punto in cui molte startup promettenti di batterie hanno fallito.
Albertus osserva che c'è una ricca storia di affermazioni premature di scoperte della batteria, quindi tutte le nuove sono accolte con scetticismo. Vorrebbe vedere QuantumScape sottoporre le cellule dell'azienda ai tipi di test indipendenti eseguiti dai laboratori nazionali, in condizioni standardizzate.
Altri osservatori del settore hanno espresso dubbi sul fatto che l'azienda possa raggiungere i test di scalabilità e di sicurezza necessari per mettere le batterie nei veicoli su strada entro il 2025, se l'azienda ha testato rigorosamente solo le celle a strato singolo fino ad ora.
Sila Nanotechnologies, una startup di batterie rivale in via di sviluppo un diverso tipo di materiali anodici ad alta densità di energia per batterie agli ioni di litio, rilasciato a carta bianca un giorno prima della storia di Mobilist che mette in luce una litania di sfide tecniche per le batterie al litio-metallo a stato solido. Nota che molti dei vantaggi teorici del litio-metallo si riducono man mano che le aziende lavorano verso batterie commerciali, date tutte le misure aggiuntive necessarie per farle funzionare.
Ma il documento sottolinea che la parte più difficile sarà affrontare la sfida del mercato: competere con la massiccia infrastruttura globale già in atto per procurarsi, produrre, spedire e installare batterie agli ioni di litio.
Scommesse massicce
Altri osservatori, tuttavia, affermano che i recenti progressi nel campo indicano sia che le batterie al litio-metallo supereranno significativamente la densità di energia della tecnologia agli ioni di litio sia che i problemi che reggono il campo possono essere risolti.
Una volta era se avremmo batterie al litio-metallo; ora è una questione di quando li avremo, afferma Venkat Viswanathan, professore associato alla Carnegie Mellon che ha studiato batterie al litio-metallo (e ha svolto attività di consulenza per QuantumScape).
Singh ha riconosciuto che l'azienda deve ancora affrontare sfide, ma insiste che si riferiscano all'ingegneria e all'aumento della produzione. Non pensa che siano necessarie ulteriori scoperte nella chimica.
Ha anche notato che la società ora ha più di $ 1 miliardo, fornendo una notevole pista per arrivare alla produzione commerciale.
Alla domanda sul motivo per cui i giornalisti dovrebbero avere fiducia nei risultati dell'azienda senza il beneficio di risultati indipendenti, Singh ha sottolineato che sta condividendo quanti più dati possibile per essere trasparente. Ma aggiunge che QuantumScape non è nel business della ricerca accademica.
Senza offesa, ma non ci interessa davvero cosa pensi, dice. Le persone a cui teniamo sono i nostri clienti. Hanno visto i dati, hanno eseguito i test nel loro stesso laboratorio, hanno visto che funziona e, di conseguenza, stanno scommettendo enormi su questa azienda. La VW è andata all in.
In altre parole, il vero test per verificare se QuantumScape abbia risolto i problemi in modo completo come sostiene è se il colosso automobilistico tedesco metterà su strada le auto dotate di batterie entro il 2025.