Una startup elettrizzante

È la moto elettrica più veloce al mondo. In un popolare video di YouTube, il ciclo del dragster nero quasi scompare in una nuvola di fumo mentre il guidatore fa un esaurimento, facendo girare la ruota posteriore per riscaldarlo. Mentre il fumo si allontana, l'autista si sistema in posizione e preme un interruttore, e la moto si lancia in avanti, accelerando a 60 miglia all'ora in meno di un secondo. Sette secondi dopo attraversa il quarto di miglio a 168 miglia all'ora, abbastanza veloce da competere con i dragster a benzina.

Impatto laterale: Una batteria progettata da A123 Systems per il veicolo elettrico Volt di GM può sopravvivere a un test di sicurezza schiacciante. L'impatto ad alta velocità potrebbe aver causato il surriscaldamento di altre batterie agli ioni di litio e l'incendio.

Ciò che alimenta il Killacycle è una nuova batteria agli ioni di litio sviluppata da A123 Systems, una startup a Watertown, MA, una delle poche aziende che lavorano su una tecnologia simile. Le batterie dell'azienda immagazzinano più del doppio di energia rispetto alle batterie al nichel-metallo idruro, il tipo utilizzato nelle odierne auto ibride, fornendo allo stesso tempo le esplosioni di potenza necessarie per prestazioni elevate. Una versione radicalmente modificata delle batterie agli ioni di litio utilizzate nell'elettronica portatile, la tecnologia potrebbe far ripartire il lungo mercato dei veicoli elettrici, che oggi rappresenta una piccola frazione dell'1% delle vendite di veicoli negli Stati Uniti. Le batterie dell'A123 in particolare hanno suscitato l'interesse di General Motors, che le sta testando per alimentare la Volt, un'auto elettrica con generatore a benzina; il veicolo dovrebbe entrare in produzione di massa già nel 2010.

In passato, le case automobilistiche hanno attribuito le scarse vendite dei veicoli elettrici alle batterie al piombo-acido o all'idruro di nichel-metallo, che erano così pesanti da limitare l'autonomia dei veicoli e così ingombranti da occupare spazio nel bagagliaio. Sebbene le batterie agli ioni di litio convenzionali siano molto più leggere e compatte, non sono convenienti per i veicoli elettrici. Ciò è in parte dovuto al fatto che utilizzano elettrodi di ossido di litio e cobalto, che possono essere instabili: le batterie basate su di essi si consumano dopo un paio d'anni e possono prendere fuoco se forate, schiacciate, sovraccaricate o surriscaldate. Alcune case automobilistiche hanno cercato di aggirare questi problemi, ma i risultati sono stati costosi.

Le batterie di A123 potrebbero finalmente rendere pratica la tecnologia agli ioni di litio per l'industria automobilistica. Invece dell'ossido di cobalto, usano un materiale per elettrodi costituito da nanoparticelle di fosfato di ferro e litio modificato con metalli in tracce. È improbabile che le batterie risultanti prendano fuoco, anche se schiacciate in un incidente. Sono anche molto più resistenti delle tradizionali batterie agli ioni di litio: A123 prevede che dureranno più a lungo della vita tipica di un'auto.

Taccuino del giornalista : Kevin Bullis

La promessa della batteria ha reso A123 una delle startup tecnologiche meglio finanziate nel paese, con 148 milioni di dollari in investimenti di capitale di rischio finora. Con il finanziamento, A123 ha perseguito un ambizioso piano aziendale che prevede di fare qualsiasi cosa, dal perfezionare il materiale alla produzione di batterie e venderle ai clienti nei settori dell'auto e degli utensili elettrici.

Le batterie A123 per Volt di GM immagazzinano energia sufficiente per 40 miglia di guida, sufficiente per coprire gli spostamenti quotidiani. (Nei viaggi più lunghi, il piccolo motore a benzina si attiva per ricaricare la batteria, estendendo l'autonomia a più di 400 miglia.) GM prevede di vendere i veicoli per circa $ 30.000 a $ 35.000; la società pensa di poter vendere centinaia di migliaia a quel prezzo nei primi anni, e J.D. Power and Associates stima che GM ne venderà quasi 300.000 entro il 2014.

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I materiali contano
All'inizio del 2001, un imprenditore venezuelano di 26 anni di nome Ric Fulop entrò nell'ufficio di Yet-Ming Chiang, professore di scienza dei materiali al MIT, senza appuntamento. Si è appena presentato e ha bussato alla porta, ricorda Chiang. Fulop, che aveva già fondato tre società finanziate da venture, voleva aiuto per avviare una società di batterie e sapeva che Chiang stava conducendo ricerche sulle batterie che coinvolgevano la nanotecnologia. Lo stesso Chiang aveva co-fondato una startup di successo alla fine degli anni '80, ma ha trascorso la maggior parte del suo tempo alla ricerca sulla nanotecnologia e sulla chimica della ceramica avanzata.

In autunno, Fulop e Chiang, insieme a Bart Riley, un ingegnere che Chiang conosceva dalla sua precedente impresa, avevano cofondato A123 Systems. Il piano era quello di commercializzare una delle idee più radicali di Chiang: materiali che, una volta mescolati, si sarebbero assemblati spontaneamente per formare una batteria funzionante. Il processo prometteva di moltiplicare la capacità di accumulo di energia riducendo i costi di produzione.

La grande idea di Chiang si è rivelata un successo tra gli investitori. Alla fine del 2001, una prima tornata di finanziamenti aveva portato 8,3 milioni di dollari da varie società di capitali di rischio. Motorola e Qualcomm, incuriosite dalla prospettiva di batterie migliori per l'elettronica portatile, hanno presto aggiunto 4 milioni di dollari. Ma divenne subito chiaro che una batteria autoassemblante commerciale era lontana anni dalla realtà. La tecnologia era ancora piuttosto rudimentale, dice Chiang.

All'inizio del 2002, tuttavia, Chiang fece una scoperta sorprendente che avrebbe cambiato completamente la direzione dell'azienda. Aveva iniziato a lavorare con il fosfato di ferro e litio, che non è tossico, sicuro e poco costoso, a differenza dei materiali utilizzati in altre batterie agli ioni di litio. Ma sembrava avere alcuni seri inconvenienti. Immagazzina meno energia dell'ossido di litio e cobalto, il materiale degli elettrodi nelle batterie convenzionali agli ioni di litio, quindi sembrava inadatto all'uso nell'elettronica portatile, dove l'immagazzinamento di energia è fondamentale. Inoltre, si carica e si scarica lentamente, escludendo il suo utilizzo in applicazioni ad alta potenza come i veicoli elettrici ibridi; anche per le auto completamente elettriche, che utilizzano molte più celle della batteria rispetto agli ibridi, il materiale non è in grado di fornire energia sufficiente.

Così Chiang iniziò a modificarlo aggiungendo tracce di metalli. Ben presto il materiale scaricava potenza a velocità relativamente elevate. A metà del 2002, è volato a Monterey, in California, per presentare le sue scoperte a una conferenza. Mentre era lì, uno studente laureato al MIT ha continuato a eseguire i test. Quando Chiang doveva parlare, il materiale aveva un ritmo quattro volte superiore a quello che era venuto ad annunciare. A quel punto, sapevamo di avere qualcosa di speciale, dice.

Alla fine, Chiang dimostrerebbe che il materiale potrebbe fornire esplosioni di elettricità a una velocità 10 volte superiore a quella utilizzata nelle batterie convenzionali agli ioni di litio. Dopo aver studiato in dettaglio il materiale ad alte prestazioni, ha stabilito che doveva il suo potere sia alla dimensione delle particelle che aveva usato (meno di 100 nanometri) sia all'aggiunta di metalli extra. La combinazione di questi fattori, dice, provoca una differenza fondamentale nel modo in cui gli atomi che compongono il materiale si riorganizzano quando ricevono e rilasciano una carica.

imballato: Le celle della batteria di A123 (sopra) sono state integrate in un pacco a forma di T progettato dall'azienda tedesca Continental.

In tutte le batterie agli ioni di litio, l'elettricità viene generata quando gli ioni di litio si spostano tra due elettrodi mentre gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno. Nei primi esperimenti di Chiang con il fosfato di ferro e litio, le parti del materiale che contenevano litio si separavano da quelle che non lo contenevano mentre gli ioni di litio si muovevano dentro e fuori un elettrodo. Ciò ha cambiato la struttura cristallina del materiale e le sue prestazioni si sono deteriorate. Ma, scoprì Chiang, quando le particelle di litio ferro fosfato sono abbastanza piccole e l'elettrodo è stato modificato, o drogato, attraverso l'aggiunta di altri metalli, la struttura cristallina del materiale cambia molto meno. Di conseguenza, gli ioni di litio possono entrare e uscire più velocemente, senza degradare il materiale. Nel complesso, Chiang ha scoperto che il materiale modificato si caricava e si scaricava più velocemente del normale fosfato di ferro di litio e durava anche più a lungo.

Per quanto straordinario sembrasse il nuovo materiale della batteria, Chiang si rese subito conto che non era l'ideale per l'elettronica portatile. Non sembrava esserci un mercato pronto per batterie leggere e compatte che fornissero grandi esplosioni di energia. I veicoli ibridi, una scelta naturale, stavano appena iniziando ad apparire sul mercato. Quello che Chiang non sapeva era che un'importante azienda di elettroutensili stava lavorando in silenzio su una nuova generazione di utensili a batteria e aveva difficoltà a trovare una batteria che soddisfacesse le sue esigenze.

Inizio potente
Nel 2003, i rappresentanti di Black and Decker si sono incontrati con Fulop e il CEO di A123, Dave Vieau, e hanno detto loro che volevano realizzare utensili elettrici senza fili che avrebbero funzionato meglio degli strumenti collegati al muro. Il materiale di A123 sembrava una misura perfetta. In brevi raffiche, può fornire più potenza di un circuito domestico. E aveva altre caratteristiche che sarebbero state interessanti in un cantiere edile. Potrebbe essere ricaricato rapidamente (all'80% della capacità in 12 minuti o meno) e, a differenza delle batterie realizzate con ossido di litio e cobalto, potrebbe sopravvivere a un trattamento duro senza prendere fuoco.

Questa, almeno, era la teoria. Quando Fulop e Vieau si incontrarono per la prima volta con Black e Decker, avevano solo un modello di una cella di batteria, mezzo grammo di materiale e una presentazione in PowerPoint. Ciò di cui Black and Decker aveva bisogno era un'azienda in grado di produrre milioni di batterie. C'era molta enfasi sul materiale, ma quello che dovevamo imparare a fare era progettare la cella completa, dice Chiang.

Entro un anno dalla firma del suo accordo iniziale con Black and Decker, tuttavia, A123 aveva prodotto una batteria commercialmente fattibile. Nel novembre 2005, i suoi primi prodotti uscivano dalle catene di montaggio in Asia. In meno di tre anni, l'azienda è passata dalla costruzione di una batteria dimostrativa delle dimensioni di una moneta alla costruzione di macchine di rivestimento lunghe 50 metri e fabbriche di 28.000 metri quadrati gestite da centinaia di dipendenti. Nel 2006, i clienti acquistavano le sue batterie in una nuova linea di strumenti professionali venduti da Black and Decker. In breve tempo, A123 ha prodotto batterie al ritmo di milioni all'anno.

tedesco costruito: Il pacco a forma di T (sopra) contiene le celle della batteria di A123. GM sta testando il pacchetto in condizioni di guida simulate prima di installarlo in un prototipo di veicolo elettrico.

Ricaricare le auto
Nel frattempo, GM stava ripensando alla sua strategia tecnologica mentre Toyota iniziava a dominare il business dei veicoli ibridi. Un ibrido utilizza una batteria solo per una parte del tempo, facendo affidamento su un motore a benzina per gran parte della sua potenza. GM ha deciso di sviluppare un'auto che consentisse ai suoi clienti di smettere di usare completamente la benzina per la maggior parte della guida quotidiana. Ma per riuscirci, la casa automobilistica aveva bisogno di una batteria affidabile e ad alte prestazioni. E per questo si è rivolto a A123.

GM sapeva di voler utilizzare batterie agli ioni di litio a causa della loro capacità di stoccaggio, afferma Denise Gray, direttore dei sistemi di accumulo di energia di GM. Ma sapeva anche che la tecnologia esistente non avrebbe funzionato. Sebbene una batteria per laptop agli ioni di litio possa sopravvivere a 500 cicli completi di carica e scarica prima che la sua capacità svanisca, nessun proprietario di auto vuole acquistare una nuova batteria ogni 18 mesi. Secondo le proiezioni di A123, tuttavia, le sue batterie dovrebbero essere in grado di fornire più di 15 anni di ricariche giornaliere. E oltre ad essere più sicure di altre batterie agli ioni di litio, le A123 funzionano a una temperatura più bassa, il che rende più semplice imballarne centinaia insieme in un grande pacco batteria, afferma Gray.

Laddove le batterie degli utensili elettrici di A123 sono cilindriche, la batteria sviluppata per Volt è piatta, per risparmiare spazio e dissipare il calore in modo più efficiente. Le celle sono state assemblate in pacchi batteria completi, a forma di T e lunghi quasi due metri. Questa primavera, le batterie saranno imbullonate nei prototipi di veicoli per i test su strada. E entro la fine dell'anno, A123 prevede di aumentare la produzione delle batterie per soddisfare la domanda prevista. Le prime auto alimentate dalla tecnologia A123 potrebbero uscire dalle linee di assemblaggio nel 2010. (GM sta anche testando batterie di un'altra azienda e potrebbe utilizzare batterie di una o di entrambe le aziende).

Se la Volt è popolare, le auto elettriche potrebbero finalmente iniziare a decollare, e ciò potrebbe ridurre le emissioni di gas serra e il consumo di petrolio. Un recente studio dell'Electric Power Research Institute e del Natural Resources Defense Council suggerisce che i veicoli elettrici simili alle auto di GM potrebbero eliminare miliardi di tonnellate di emissioni di gas serra tra il 2010 e il 2050. Uno studio di General Electric indica che se la metà dei veicoli su le strade nel 2030 sono elettriche, il consumo di petrolio negli Stati Uniti si ridurrà di sei milioni di barili al giorno.

E batterie come le A123 potrebbero avere ripercussioni ben oltre il Volt. Anche le auto con motore a combustione interna sono state progettate per fare più affidamento sull'elettricità: gli esempi più semplici riguardano le batterie ricaricate da alternatori truccati che consentirebbero a un'auto di spegnere il motore quando si avvicina a un semaforo e ripartire quando il conducente preme l'acceleratore . Negli ibridi convenzionali, le versioni delle batterie di A123 possono fornire la stessa potenza delle batterie all'idruro di nichel metallico a un quinto del peso. Le nuove batterie potrebbero anche beneficiare di ibridi plug-in, che possono essere ricaricati da una normale presa elettrica. In effetti, le batterie dell'A123 possono essere utilizzate in una versione plug-in del SUV ibrido Saturn Vue che uscirà nel 2010.

Qualunque sia il loro design, è probabile che le auto future si baseranno molto di più sull'elettricità. Non siamo ancora arrivati, dice Chiang. Non ci sono Volt dappertutto. Ma il potenziale per avere un grande impatto, sia sul problema della fornitura di petrolio che sui gas serra, non immaginavo che saremmo stati in grado di farlo. Certamente non quando ho iniziato a lavorare sulle batterie.

Kevin Bullis è BAMBINI Editor di nanotecnologie e scienze dei materiali.

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