Alcuni osservatori non sono convinti che le batterie al litio-metallo di QuantumScape alimenteranno auto e camion sulla strada così rapidamente come l’azienda afferma.
di James Temple
Gli scienziati hanno a lungo considerato le batterie al litio-metallo come una tecnologia ideale per l’accumulo di energia, sfruttando il metallo più leggero sulla tavola periodica per fornire celle piene di energia. Ma i ricercatori e le aziende hanno provato e fallito per decenni a produrre versioni convenienti e ricaricabili che non avessero la brutta abitudine di prendere fuoco.
All’inizio di quest’anno Jagdeep Singh, amministratore delegato di QuantumScape, ha affermato in un’intervista a “The Mobilist” che l’azienda della Silicon Valley, che gode di ottimi finanziamenti, aveva superato le principali sfide tecniche. Ha aggiunto che Volkswagen 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 l’offerta pubblica a novembre, QuantumScape è ora valutata circa 20 miliardi di dollari, nonostante non abbia ancora realizzato prodotti o entrate (e nessuna aspettativa che lo faccia fino al 2024). Volkswagen ha investito più di 300 milioni di dollari nell’azienda e ha creato una joint venture con QuantumScape per produrre le batterie. L’azienda ha anche raccolto centinaia di milioni da altri importanti investitori.
Tuttavia, fino ad ora Singh ha rivelato pochi dettagli sulla batteria, spingendo ricercatori, rivali e giornalisti a setacciare 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 dell’8 dicembre, QuantumScape ha finalmente fornito i risultati tecnici dei test di laboratorio. La sua tecnologia è una batteria parzialmente allo 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 allo stato solido per una varietà di prodotti chimici per 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, non ha ancora resi pubblici alcuni dettagli sulla sua batteria, inclusi alcuni dei materiali e dei processi chiave che utilizza per farla funzionare. Inoltre, alcuni esperti rimangono scettici sul fatto che che QuantumScape abbia davvero affrontato le difficili sfide tecniche che renderebbero possibile una batteria al litio-metallo nei veicoli commerciali nei prossimi cinque anni.
I risultati del test
In un’intervista con “MIT Technology Review”, Singh afferma che l’azienda ha dimostrato che le sue batterie soddisfano efficacemente cinque esigenze chiave dei consumatori che finora hanno impedito ai veicoli elettrici di superare il 2 per cento delle nuove vendite di auto negli Stati Uniti: costi inferiori, più autonomia, minori tempi di ricarica, maggiore durata totale su strada e più sicurezza.
“Qualsiasi batteria in grado di soddisfare questi requisiti può aprire nuove prospettive sul 98 per cento del mercato in forme completamente diverse da quelle attuali”, egli sostiene. In effetti, i risultati delle prestazioni di QuantumScape sono ragguardevoli.
Le batterie possono ricaricarsi fino all’80 per cento della capacità in meno di 15 minuti (Il canale televisivo MotorTrend ha scoperto che, in un test dello scorso anno, il Supercharger V3 di Tesla ha portato una Model 3 dal 5 al 90 per cento in 37 minuti) e mantengono oltre l’80 per cento della loro capacità su 800 cicli di ricarica, che è l’equivalente approssimativo di 380.000 km di guida. La batteria, infatti, mostra poco degrado anche se sottoposta a cicli di carica e scarica a ritmo continuo.
Infine, l’azienda afferma che la batteria è progettata per raggiungere un’autonomia di guida che potrebbe superare di oltre l’80 per cento quella dei veicoli elettrici con batterie agli ioni di litio standard, sebbene non sia stata ancora testata direttamente.
“I dati di QuantumScape sono impressionanti”, afferma Paul Albertus, ricercatore di ingegneria chimica e biomolecolare presso l’Università del Maryland ed exdirettore del programma IONICS incentrato sulle batterie allo stato solido di ARPA-E, l’agenzia del Dipartimento Usa dell’energia focalizzata sui programmi sperimentali, che non ha alcuna affiliazione o relazione finanziaria con l’azienda.
Il funzionamento del sistema
Come si sono raggiunti questi risultati? In una batteria agli ioni di litio standard in un’auto oggi, uno dei due elettrodi (l’anodo) è per lo più realizzato in grafite, che immagazzina facilmente gli ioni di litio che si muovono 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 al lavoro immagazzinando energia, che è ciò che spiega il maggiore potenziale di densità di energia.
Ma rimangono in piedi un paio di grandi sfide. La prima è che il metallo è altamente reattivo, quindi se viene a contatto con un liquido, compreso l’elettrolito che supporta il movimento di quegli ioni nella maggior parte delle batterie, può innescare reazioni collaterali che degradano la batteria o provocano la combustione. La seconda è che il flusso di ioni di litio può formare formazioni aghiformi note come dendriti, che possono perforare il separatore nel mezzo della batteria, mandando in cortocircuito la cella.
Nel corso degli anni, questi problemi hanno portato i ricercatori a provare a sviluppare elettroliti a 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, elimina la formazione di dendriti pur consentendo agli ioni di litio di muoversi facilmente avanti e indietro (L’elettrolito sull’altra estremità della batteria, il lato del catodo, è un gel di qualche forma, quindi non è una batteria completamente allo stato solido).
Singh rifiuta di specificare il materiale che stanno utilizzando, dicendo che è uno dei loro segreti commerciali più gelosamente custoditi (Alcuni esperti di batterie sospettano, sulla base di domande di brevetto, che si tratti di un ossido noto come LLZO.) Per scoprirlo ci sono voluti cinque anni e lo sviluppo della giusta composizione e del processo di produzione per prevenire difetti e dendriti ne ha richiesti altri cinque. L’azienda ritiene che il passaggio alla tecnologia allo stato solido renderà le batterie più sicure rispetto alla varietà agli ioni di litio oggi sul mercato, che ancoraoccasionalmente si infiammano in circostanze estreme.
L’altro grande progresso è che la batteria è prodotta senza un anodo distinto (si veda il video di QuantumScape). Quando la batteria si carica, gli ioni di litio nel lato catodico viaggiano attraverso il separatore e formano uno strato perfettamente piatto tra esso e il contatto elettrico all’estremità della batteria. Quasi tutto il litio ritorna poi al catodo durante il ciclo di scarica. Ciò elimina la necessità di qualsiasi materiale anodico “ospite” che non contribuisca direttamente al compito di immagazzinare energia o trasportare corrente, riducendo ulteriormente il peso e il volume necessari. Inoltre, secondo l’azienda, permette anche di ridurre i costi di produzione.
Alcuni rischi non sono ancora eliminati
Tuttavia, c’è un problema: i risultati di QuantumScape provengono da test di laboratorio eseguiti su celle a strato singolo. Una vera batteria per automobili dovrebbe avere dozzine di strati che lavorano tutti insieme. Passare dalla linea pilota alla produzione commerciale è una sfida significativa nello stoccaggio di energia e rappresenta il punto di passaggio in cui molte startup di batterie un tempo promettenti hanno fallito.
Albertus osserva che esiste una ricca storia di affermazioni premature di innovazioni della batteria, quindi tutte le nuove sono accolte con scetticismo. Gli piacerebbe vedere QuantumScape sottoporre le celle dell’azienda al tipo di test indipendenti eseguiti dai laboratori nazionali, in condizioni standardizzate. Altri osservatori del settore hanno espresso dubbi sul fatto che l’azienda potrebbe raggiungere lo scale-up e i test di sicurezza necessari per montare le batterie nei veicoli su strada entro il 2025, se l’azienda finora ha testato rigorosamente solo celle monostrato.
Sila Nanotechnologies, una startup rivale produttrice di batterie che sviluppa un diverso tipo di materiali anodici ad alta densità energetica per le batterie agli ioni di litio, ha pubblicato un libro bianco un giorno prima che apparisse il servizio su “The Mobilist” in cui vengono evidenziate una serie di sfide tecniche per le batterie al litio-metallo allo stato solido e si rileva che molti dei vantaggi teorici del litio metallico si riducono man mano che le aziende lavorano su batterie commerciali, date tutte le misure aggiuntive necessarie per farle funzionare.
Ma il documento indica che la parte più difficile sarà affrontare la sfida del mercato: competere con l’enorme infrastruttura globale già in atto per approvvigionarsi, produrre, spedire e installare batterie agli ioni di litio.
Un lungo elenco di scommesse impegnative
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 del settore possono essere risolti. “Ora la domanda è solo quando le avremo”, dice Venkat Viswanathan, ricercatore della Carnegie Mellon, esperto di batterie al litio-metallo ed ex consulente di QuantumScape).
Singh ha riconosciuto che l’azienda non ha ancora risolto tutti i problemi, ma fa riferimento solo alle componenti ingegneristiche e al potenziamento della produzione. Non pensa che siano necessarie ulteriori scoperte in campo chimico. Ha notato, inoltre, che l’azienda dispone ora di oltre 1 miliardo di dollari, una somma considerevole per arrivare alla fase di produzione commerciale.
Alla domanda sul perché 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. Le persone a cui teniamo sono i nostri clienti e loro hanno visto i dati, hanno eseguito i test nel loro laboratorio, hanno visto che funziona e di conseguenza stanno scommettendo senza remore su questa azienda, come nel caso di Volkswagen”.
Foto: Cella della batteria al litio-metallo a stato solido monostrato di QuantumScape.Per gentile concessione di QuantumScape
