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Questo anticipo della batteria potrebbe rendere i veicoli elettrici molto più economici
Sono Nanotecnologie
Negli ultimi sette anni, una startup con sede ad Alameda, in California, ha lavorato in silenzio su un nuovo materiale anodico che promette di aumentare significativamente le prestazioni delle batterie agli ioni di litio.
Sila Nanotechnologies è emersa dalla modalità invisibile il mese scorso, collaborando con BMW per inserire i materiali anodici a base di silicio dell'azienda in almeno alcuni dei veicoli elettrici della casa automobilistica tedesca entro il 2023. Un portavoce della BMW detto il giornale di Wall Street la società prevede che l'accordo porterà a un aumento dal 10 al 15 percento della quantità di energia che è possibile imballare in una cella della batteria di un determinato volume. Il CEO di Sila, Gene Berdichevsky, afferma che i materiali potrebbero eventualmente produrre un miglioramento fino al 40 percento (vedi 35 Innovators Under 35: Gene Berdichevsky).
Per i veicoli elettrici, un aumento della cosiddetta densità di energia estende significativamente l'autonomia chilometrica possibile con una singola carica o riduce il costo delle batterie necessarie per raggiungere le gamme standard. Per i gadget di consumo, potrebbe alleviare la frustrazione dei telefoni cellulari che non riescono a farcela durante la giornata, o potrebbe abilitare funzionalità di prossima generazione assetate di energia come fotocamere più grandi o reti 5G ultraveloci.
I ricercatori hanno trascorso decenni a lavorare per migliorare le capacità delle batterie agli ioni di litio, ma questi guadagni di solito arrivano solo di pochi punti percentuali alla volta. Allora come ha fatto Sila Nanotechnologies a fare un così grande salto?
Berdichevsky, che era il dipendente numero sette di Tesla, e CTO Gleb Yushin , professore di scienze dei materiali presso il Georgia Institute of Technology, ha recentemente fornito una spiegazione più approfondita della tecnologia delle batterie in un'intervista con Revisione della tecnologia del MIT .
I co-fondatori di Sila (da sinistra a destra), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky e Alex Jacobs. Nanotecnologie della Sila
Un anodo è l'elettrodo negativo della batteria, che in questo caso immagazzina gli ioni di litio quando la batteria è carica. Gli ingegneri credono da tempo che il silicio abbia un grande potenziale come materiale anodico per un semplice motivo: può legarsi con 25 volte più ioni di litio rispetto alla grafite, il materiale principale utilizzato oggi nelle batterie agli ioni di litio.
Ma questo ha un grosso problema. Quando il silicio ospita così tanti ioni di litio, il suo volume si espande, sollecitando il materiale in un modo che tende a sgretolarlo durante la carica. Quel gonfiore innesca anche reazioni elettrochimiche collaterali che riducono le prestazioni della batteria.
Nel 2010, Yushin è stato coautore di una ricerca scientifica carta che ha identificato un metodo per la produzione di nanoparticelle rigide a base di silicio che sono internamente sufficientemente porose da adattarsi a variazioni di volume significative. Ha collaborato con Berdichevsky e un altro ex ingegnere di batterie Tesla, Alex Jacobs, per formare Sila l'anno successivo.
Da allora l'azienda ha lavorato per commercializzare quel concetto di base, sviluppando, producendo e testando decine di migliaia di diverse varietà di nanoparticelle anodi sempre più sofisticate. Ha trovato il modo di alterare la struttura interna per evitare che l'elettrolito della batteria penetri nelle particelle e ha ottenuto dozzine di guadagni incrementali nella densità di energia che alla fine si sono sommati a un miglioramento di circa il 20 percento rispetto alla migliore tecnologia esistente.
Alla fine, Sila ha creato una particella sferica robusta, di dimensioni micrometriche con un nucleo poroso, che dirige gran parte del rigonfiamento all'interno della struttura interna. L'esterno della particella non cambia forma o dimensione durante la carica, garantendo prestazioni e durata del ciclo altrimenti normali.
Le polveri anodi composite risultanti funzionano come materiale drop-in per i produttori esistenti di celle agli ioni di litio.
Con qualsiasi nuova tecnologia per le batterie, ci vogliono almeno cinque anni per lavorare attraverso i processi di garanzia della qualità e della sicurezza dell'industria automobilistica, da qui la cronologia del 2023 con BMW. Ma Sila è su una strada più veloce con l'elettronica di consumo, dove si aspetta di vedere i prodotti che trasportano i materiali delle batterie sugli scaffali all'inizio del prossimo anno.
Venkat Viswanathan, ingegnere meccanico presso Carnegie Mellon, afferma che Sila sta facendo grandi progressi. Ma avverte che i guadagni in una metrica della batteria spesso vanno a scapito di altri, come la sicurezza, il tempo di ricarica o la durata del ciclo, e che ciò che funziona in laboratorio non si traduce sempre perfettamente in prodotti finali.
Aziende tra cui Enovix ed Enevate stanno anche sviluppando materiali anodici a predominanza di silicio. Nel frattempo, altre aziende stanno perseguendo percorsi completamente diversi verso lo stoccaggio a capacità superiore, in particolare comprese le batterie a stato solido. Questi utilizzano materiali come vetro, ceramica o polimeri per sostituire gli elettroliti liquidi, che aiutano a trasportare gli ioni di litio tra il catodo e l'anodo.
BMW ha anche collaborato con Solid Power, uno spinout dell'Università del Colorado Boulder, che afferma che la sua tecnologia a stato solido basata su anodi al litio-metallo può immagazzinare da due a tre volte più energia rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Nel frattempo, Ionic Materials, che di recente innalzata $ 65 milioni da Dyson e altri, ha sviluppato un elettrolita polimerico solido che, a suo avviso, consentirà batterie più sicure ed economiche che possono funzionare a temperatura ambiente e funzionerà anche con il litio metallico.
Alcuni esperti di batterie ritengono che la tecnologia a stato solido alla fine prometta maggiori guadagni in termini di densità di energia, se i ricercatori riusciranno a superare alcuni grandi ostacoli tecnici rimanenti.
Ma Berdichevsky sottolinea che i materiali di Sila sono già pronti per i prodotti e, a differenza delle batterie al litio-metallo a stato solido, non richiedono costosi aggiornamenti delle apparecchiature da parte dei produttori di batterie.
Poiché l'azienda sviluppa ulteriori modi per limitare la variazione di volume delle particelle a base di silicio, Berdichevsky e Yushin ritengono che saranno in grado di estendere ulteriormente la densità di energia, migliorando al contempo i tempi di ricarica e la durata del ciclo totale.
Questa storia è stata aggiornata per chiarire che Samsung non ha investito nell'ultimo round di finanziamento di Ionic Material.