Una delle sfide che l’industria dei veicoli elettrici deve affrontare è alimentazione a batteria. Nel maggio di quest’anno, il responsabile delle forniture globali di Tesla ha dichiarato che la società sta pianificando un carenza dei principali materiali delle batterie. Le case automobilistiche stanno lavorando integrare verticalmente produzione di batterie nella loro attività per garantire che abbiano accesso alle batterie quando necessario.
Contenuti
- La tecnologia più vecchia ha un nuovo scopo
- Il vantaggio dei wafer di silicio
- Densità e capacità di energia migliorate
- Minore crescita dei dendriti per una maggiore durata della batteria
- Tempi di ricarica ridotti e autonomia maggiore
- Quando lo vedremo?
Ciò accade in gran parte perché le batterie agli ioni di litio sono lo standard per le celle ricaricabili. Sono utilizzati in tutto, dalle fotocamere ai telefoni ai veicoli elettrici. Oltre ad essere costose e dipendenti da risorse scarse, le batterie agli ioni di litio comportano il rischio di surriscaldamento, incendio o addirittura
esplodendo. Ecco perché compagnie aeree non vogliono queste batterie nelle loro stive. Inoltre, costruire nuove fabbriche per produrre batterie agli ioni di litio è costoso e richiede molto tempo. Tesla ha investito 5 miliardi di dollari nel suo Nevada Gigafactory produrre internamente le batterie per la Model 3. La capacità di Tesla è pari a circa 24 GWh oggi e fino a 35 GWh una volta completato nel prossimo anno.Video consigliati
Ciò che serve è una nuova architettura della batteria che sia più semplice da realizzare. Idealmente, il nuovo design della batteria dovrebbe avere una densità di energia più elevata e un tempo di ricarica più rapido per renderlo ideale per l’uso sui veicoli.
Sai già cosa verrà dopo: una società chiamata XNRGI con sede vicino a Portland, Oregon, afferma di avere la risposta. Questo non è raro di per sé. Molte persone hanno affermato di avere una batteria miracolosa, ma sembrano sempre dire che non possono ancora parlartene.
La differenza con XNRGI è che hanno un portafoglio di brevetti pubblicati legati direttamente alla tecnologia delle batterie Powerchip e ne hanno fatto domanda per molti altri. L’azienda ha anche ricevuto finanziamenti dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la propria ricerca. Con la protezione dei brevetti e i finanziamenti in atto, XNRGI è ansioso di dire al mondo quello che ha.
"Crediamo che ora possiamo affrontare contemporaneamente tutti i problemi relativi alle batterie agli ioni di litio", ha affermato Chris D'Couto, CEO di XNRGI.
La tecnologia più vecchia ha un nuovo scopo
La differenza fondamentale tra una batteria agli ioni di litio convenzionale e una batteria XNRGI Powerchip è la sua composizione. Laddove le batterie convenzionali agli ioni di litio utilizzano un impasto di grafite su un conduttore bidimensionale come materiale da costruzione, la batteria XNRGI utilizza litio metallico in un wafer di silicio poroso tridimensionale. Non c'è niente di nuovo o di diverso nei wafer; sono gli stessi dischi prodotti da decenni dall'industria dei semiconduttori.
“Stiamo adottando misure comprovate per la produzione di chip e applicandole a questa batteria”, ha affermato D’Couto. “Stiamo prendendo qualcosa da un settore e applicandolo a un altro settore. Non stiamo inventando nulla su questo fronte. Possiamo acquistare i wafer, quindi non abbiamo grandi investimenti di capitale in una fabbrica”.
La parte migliore è che le batterie XNRGI sono realizzate con wafer più vecchi e più spessi che non sono più richiesti. Esistono già infrastrutture a livello mondiale per produrre questi wafer a basso costo e in grandi quantità.
Il vantaggio dei wafer di silicio
Il vantaggio di utilizzare wafer di silicio per costruire una batteria dipende da un altro processo di semiconduttore ben consolidato. Il design XNRGI utilizza wafer perforati per creare una superficie simile a un waffle. Ogni disco di silicio da 12 pollici può contenere fino a 160 milioni di pori microscopici. Successivamente i wafer vengono rivestiti su un lato con una superficie non conduttiva. L'altro lato del wafer è rivestito con un metallo conduttivo per trasportare la corrente elettrica.
“I rivestimenti metallici che utilizziamo provengono dall’industria dei chip”, ha affermato D’Couto, “mentre i rivestimenti isolanti vengono prelevati dall’industria dei chip e utilizzati qui. Non stiamo inventando nulla dal lato del processo”.
XNRGI-Batteria PowerChip
La natura porosa del wafer aumenta la superficie totale della batteria fino a 70 volte rispetto ad una superficie bidimensionale. Ogni poro è fisicamente separato dai suoi vicini, il che aiuta a eliminare i cortocircuiti interni e aiuta la batteria a resistere al degrado nel tempo e all'uso.
"Ognuno di questi piccoli fori è effettivamente una batteria molto piccola", ha osservato D'Couto. “Quando qualcuno di questi fallisce individualmente, il fallimento non si propaga. Questa architettura rende la batteria completamente sicura prevenendo instabilità termica ed esplosioni”.
Densità e capacità di energia migliorate
La tecnologia wafer di XNRGI è progettata per essere posizionata sul lato anodico di una batteria. Quando una batteria è completamente carica, l'anodo è come un secchio di elettroni. Quando la batteria si scarica, gli elettroni fluiscono attraverso il circuito verso il lato catodico della batteria. Quando la batteria viene ricaricata, il contenitore dell'anodo si riempie.
“Oggi quando parli di una batteria agli ioni di litio, è fatta di litio intercalato con grafite”, ha spiegato D’Couto. “Fin dalla nascita delle batterie agli ioni di litio, la grafite è stata utilizzata sul lato dell’anodo per fornire un punto di parcheggio in cui gli ioni di litio potessero atterrare e decollare”.
Un enorme vantaggio del design del wafer di silicio poroso è che l'anodo XNRGI ha una superficie 70 volte maggiore rispetto a un anodo di grafite e utilizza litio metallico puro, conferendo all’anodo del Powerchip circa 10 volte la densità energetica degli anodi delle batterie agli ioni di litio esistenti.
“Otteniamo una maggiore densità di energia a causa dell’aumento tridimensionale della superficie”, ha affermato D’Couto.
Minore crescita dei dendriti per una maggiore durata della batteria
Uno dei motivi per cui le batterie ricaricabili si degradano nel tempo è che quando l'anodo passa attraverso ripetuti cicli di scarica e carica, si forma un accumulo di sostanze chimiche sulla superficie dell'anodo. Questo accumulo è chiamato “dendrite” e sembra una stalattite calcarea. I dendriti possono eventualmente perforare il separatore fisico tra l'anodo e il catodo e mandare in cortocircuito la batteria.
“Quando il dendrite perfora il separatore, si verifica un rapido guasto della batteria”, ha spiegato D’Couto.
Gli ioni di litio trasportano anche altri materiali che si accumulano come placca sul separatore tra i lati dell'anodo e del catodo della batteria, sostanzialmente intasando la batteria e riducendone le prestazioni. L'anodo XNRGI resiste alla formazione di dendriti e prolunga la durata della batteria grazie al rivestimento non conduttivo sul wafer di silicio. Gli elementi trasportati insieme agli ioni di litio non si attaccano a quella superficie e quindi non possono facilmente formare dendriti o accumulare placca.
D’Couto stima che una batteria XNRGI Powerchip offrirà una durata utile da tre a cinque volte maggiore rispetto a quella che una batteria agli ioni di litio può ottenere oggi.
Tempi di ricarica ridotti e autonomia maggiore
La maggiore superficie all'interno di un Powerchip fa sì che la batteria possa scaricarsi e ricaricarsi molto più rapidamente rispetto alle tradizionali celle agli ioni di litio. Ciò significa che è disponibile più potenza durante la guida. Ancora più importante, significa una ricarica più rapida.
Secondo D’Couto, l’anodo Powerchip è in grado di raggiungere una ricarica dell’80% da vuoto in 15 minuti. Anche la ricarica più comune dal 10% al 90% è fissata a 15 minuti. Oltre alla ricarica rapida, XNRGI stima che le batterie Powerchip aumenteranno l’autonomia dei veicoli elettrici fino al 280% rispetto a una batteria convenzionale agli ioni di litio dello stesso peso. Per riferimento, ciò significa che un attuale veicolo elettrico con 250 miglia di autonomia (come molti hanno) avrebbe un’autonomia di 700 miglia.
La batteria XNRGI è anche molto più leggera delle celle odierne. Le case automobilistiche potrebbero scegliere di realizzare veicoli elettrici più leggeri ed efficienti o di installare più batterie nell’auto per un’autonomia ancora più lunga con il peso attuale.
Quando lo vedremo?
In questo momento XNRGI sta lavorando con aziende che utilizzano ogni tipo di batteria, dalla piccola elettronica di consumo alle case automobilistiche e persino ai servizi di rete. L’azienda prevede che il lancio dei prodotti di consumo e gli accordi di licenza verranno finalizzati nei prossimi due-cinque anni a seconda dell’applicazione della batteria.
“Ci aspettiamo che le nostre batterie vengano utilizzate in prodotti per la mobilità come moto, scooter, droni, robot e altro ancora nel 2020”, ha previsto D’Couto. “Per quanto riguarda i veicoli elettrici, probabilmente sarà il 2022 o il 2023 in un volume limitato, quindi l’adozione di veicoli elettrici in grandi volumi nel 2024. Si tratta della norma per l’industria automobilistica dopo i test approfonditi”.
L’avvento della tecnologia delle batterie sicure, a ricarica rapida, di lunga durata e a lungo raggio rappresenterà probabilmente un punto di svolta per l’industria dei veicoli elettrici. In retrospettiva, con gli scienziati di tutto il mondo alla ricerca di una migliore tecnologia per le batterie, forse non dovremmo sorprenderci che qualcuno l’abbia trovata.
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