Le nuove batterie a polvere di Panasonic daranno una supercarica alle auto elettriche
Le nuove batterie Panasonic a polvere promettono una supercarica per le auto elettriche
Sila, un’azienda californiana fondata nel 2011 da uno dei primi sette membri del team di Tesla, fornirà a Panasonic una polvere di silicio di produzione statunitense per batterie EV che potrebbe eliminare l’ansia da autonomia, ridurre i tempi di ricarica e persino ridurre la dipendenza dalla Cina.
Il principale cliente statunitense di Panasonic è Tesla e produce circa il 10% delle batterie EV a livello globale. Lo scorso anno, Sila ha firmato un accordo di fornitura con Mercedes-Benz per il suo nuovo SUV elettrico G-Class a lungo raggio, previsto per il debutto nel 2025. (Il produttore automobilistico tedesco ha guidato il round di finanziamento di serie E di Sila nel 2019.)
La polvere di anodo al silicio Titan di Sila è composta da particelle di silicio nanostrutturato delle dimensioni del micrometro e sostituisce il grafite nelle tradizionali batterie al litio. Questa sostituzione nelle EV potrebbe presto consentire viaggi non stop di 500 miglia e ricariche di 10 minuti. Inoltre, il cambio di anodo non richiede nuove tecniche di produzione. La polvere nera già alimenta la durata della batteria di cinque giorni dell’ultimo dispositivo di monitoraggio delle attività Whoop.
“Ci sono voluti 12 anni e 80.000 iterazioni per arrivare a questo punto”, ha detto Gene Berdichevsky, cofondatore e CEO di Sila. “È una scienza sofisticata”. Berdichevsky ha iniziato la sua carriera in Tesla, diventando il settimo dipendente nel 2004. È stato il responsabile del sistema di batterie per Tesla Roadster, lasciando l’azienda quando aveva circa 300 dipendenti. Dopo ulteriori studi, ha fondato Sila insieme a Alex Jacobs, ex collega di Tesla, e Gleb Yushin, professore di scienza dei materiali presso il Georgia Tech.
Rispetto al grafite, il silicio immagazzina fino a 10 volte più energia, quindi l’uso del silicio al posto del grafite per gli anodi, la parte che rilascia gli elettroni durante la scarica, può migliorare significativamente la densità energetica di una batteria. Tuttavia, il materiale si espande durante la ricarica ripetuta, con le crepe risultanti che riducono radicalmente la durata della batteria.
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La tecnologia di Sila permette questa espansione utilizzando uno “scheletro” di carbonio a nano scala per mantenere sotto controllo il silicio. “Titan Silicon è un materiale nanocomposito”, afferma Berdichevsky. “È come il pane con l’uvetta, in cui l’uvetta è il silicio e c’è una matrice soffice intorno all’uvetta con una grande buccia esterna sulla particella stessa. La buccia tiene lo spazio, e il pane si sposta quando l’uvetta si espande. Lo scheletro non tiene il silicio, ma si adatta all’espansione”.
Il processo di scheletratura brevettato prevede che il gas silano derivato dal silicio infiltrerà delle lattine di carbonio personalizzate. La polvere risultante su scala micron viene spedita ai produttori di batterie.
“Possiamo sostituire dal 50 al 100 percento del grafite nelle batterie al litio”, sostiene Berdichevsky. Una sostituzione completa potrebbe aumentare del 40 percento l’autonomia di una EV tipica e ridurre l’attesa per una carica all’80 percento al tempo necessario per riempire tranquillamente un serbatoio di gas.
Sila afferma che Titan Silicon è circa cinque volte più leggero del grafite e occupa circa la metà dello spazio quando è completamente carico. In un comunicato stampa che annunciava l’accordo con Sila, Panasonic ha dichiarato di avere l’obiettivo di aumentare la densità energetica volumetrica delle sue batterie a 1.000 watt-ora per litro entro il 2030.
“Si tratta di una misura molto elevata”, afferma Berdichevsky. “Le migliori batterie al mondo oggi hanno un valore di circa 740 watt-ora per litro e sono gli stessi numeri che gli sviluppatori di batterie a stato solido affermano di poter raggiungere. Stiamo dicendo che presto possiamo raggiungere quei livelli con una tecnologia che è già qui”.
Il grafite è il materiale di anodo predefinito al mondo, presente in quasi tutte le batterie al litio e rappresenta fino al 60% del volume di una batteria. Secondo un rapporto dell’Agenzia Internazionale dell’Energia, circa tre quarti di tutte le batterie EV sono attualmente prodotte in Cina.
La società di consulenza mineraria Benchmark Mineral Intelligence stima che la Cina produca il 61 percento del grafite di origine naturale del mondo e raffina il 98 percento del materiale di grafite finito.
Silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre (il primo è l’ossigeno), e il quarzo ad alta purezza usato nella produzione di gas silano è estratto negli Stati Uniti.
Dal 2017, la polvere dell’anodo di Sila destinata all’elettronica di consumo viene prodotta in uno stabilimento pilota presso la sede centrale della società ad Alameda, in California. Tuttavia, per produrre su scala automobilistica, l’azienda sta allestendo una fabbrica di fibra di vetro di 600.000 piedi quadrati mai utilizzata a Moses Lake, nello stato di Washington, impiegando inizialmente 100 persone principalmente locali, con piani per ulteriori 600 con la crescita dell’azienda.
Moses Lake, nota per le sue patate, ma solo un punto sulla mappa a metà strada tra Seattle e Spokane, è ora un centro idroelettrico che attira industrie di prossima generazione interessate alla bassa e pulita potenza dell’area.
Berdichevsky afferma che se si forniscono clienti europei, ora conviene essere fuori dalla rete energetica inquinante. Una regolamentazione approvata dal Parlamento europeo nel giugno ha reso ovvia la scelta di Sila di localizzarsi in città. Bruxelles ora richiede che ogni batteria per veicoli elettrici destinata al mercato dell’UE abbia un’etichetta che dichiara la sua impronta di carbonio; i “passaporti delle batterie” devono tracciare digitalmente le batterie e i loro materiali lungo la catena di approvvigionamento.
Ci sono anche requisiti di catena di approvvigionamento nell’Inflation Reduction Act (IRA) del 2022. Per beneficiare degli incentivi per i veicoli elettrici, i minerali per batterie devono provenire dalle risorse domestiche o dagli alleati. Le parti dell’IRA incentrate sul cambiamento climatico stabiliscono che quest’anno gli Stati Uniti devono acquisire il 40 percento dei minerali, percentuale che aumenterà all’80 percento dal 2027 in poi. L’IRA vieta inoltre l’uso di minerali critici, materiali per batterie e altri componenti provenienti da “entità estere di preoccupazione”.
“Se si utilizza qualsiasi materiale proveniente dalla Cina nelle batterie, i vostri clienti perderanno un credito d’imposta di $7.500”, afferma Berdichevsky.
Sila non è l’unica azienda produttrice di nanocompositi al silicio per l’automotive attratta dalla potenza pulita di Moses Lake. A un miglio dalla ex fabbrica di fibra di vetro, Group14 Technologies ha iniziato la costruzione di una nuova fabbrica che produrrà una polvere simile per Porsche.
La casa automobilistica tedesca ha guidato una raccolta fondi da $614 milioni per Group14 lo scorso anno. Quando l’impianto della società di sette anni sarà aperto nel 2024, produrrà abbastanza polvere d’anodo SCC55 per 200.000 veicoli elettrici all’anno.
“Ci sono aziende che hanno partnership e collaborazioni, ma sono ancora tutte in fase di sviluppo”, sostiene Berdichevsky, “mentre noi siamo pronti per la produzione su larga scala”.
Non a caso, Moses Lake è anche sede di REC Silicon, un fornitore precedentemente chiuso per l’industria fotovoltaica e ora uno dei due produttori statunitensi di gas silano. Group14 si rifornirà a livello locale; Berdichevsky ha preferito non dire da dove Sila stia rifornendo il suo silano. Entrambe le aziende hanno ricevuto sovvenzioni federali di $100 milioni per costruire le loro fabbriche di anodi al silicio.
Jay Turner, professore di studi ambientali al Wellesley College, afferma che la produzione su larga scala di nuove tecnologie batteriche per VE negli Stati Uniti è comprensibilmente una grande notizia. “Segna una rottura importante con la storia”, afferma lo storico delle batterie che segue la nuova produzione nordamericana di VE.
“In passato, gli Stati Uniti sono stati leader nella ricerca delle batterie avanzate, ma gran parte della produzione effettiva è avvenuta all’estero. È emozionante vedere la ricerca sviluppata negli Stati Uniti essere scalata nelle fabbriche statunitensi. Sia Sila che Group14 sembrano ben posizionate per la produzione su larga scala.”
Tuttavia, sono solo due dei produttori di anodi al silicio negli Stati Uniti. Le aziende californiane OneD Battery Sciences e Amprius coltivano nano-fili di silicio che sostengono essere meno inclini al rigonfiamento rispetto alle polveri di nano-silicio.
Amprius, fondata nel 2008 dal professore di scienza dei materiali di Stanford, Yi Cui, si è concentrata sugli anodi al silicio per il settore dell’aviazione, mentre OneD Battery Sciences metterà la sua nanotecnologia al silicio nelle batterie Ultium di GM.
Al posto di ingegnerizzare nanoparticelle o nanofili di silicio, Enevate, anche in California, deposita film di silicio a nanoscala direttamente su fogli di rame. Le sue batterie all’anodo di silicio sono già utilizzate nelle motociclette elettriche.
La startup di Chicago, NanoGraf, produce un materiale all’ossido di silicio per anodi che viene pregonfiato per garantire la stabilità. I suoi anodi sono utilizzati nell’elettronica militare.
Gli sviluppatori di altre chimiche delle batterie stanno cercando di sostituire completamente le tradizionali batterie agli ioni di litio. Tesla sta già producendo automobili con batterie al litio-ferro-fosfato; Toyota ha incuriosito gli addetti ai lavori con le sue batterie allo stato solido; le aziende cinesi stanno sviluppando tecnologie al sodio (Na-ion) che richiedono pochissimo o niente litio, nichel o cobalto; e Samsung SDI sta perfezionando le batterie ad alto contenuto di manganese.
Potrebbe esserci spazio per tutte le soluzioni citate in un crescente mercato globale dei veicoli elettrici. Infatti, l’Advanced Propulsion Centre del Regno Unito, specializzato in tecnologie emergenti delle batterie, afferma che questo cambiamento nella tecnologia elettrica “non riguarda la vittoria di un tipo di tecnologia delle batterie sulle altre, poiché le caratteristiche di prestazione variano a seconda dei casi d’uso”.
