Come funzionano le batterie allo stato solido di QuantumScape

Avranno pure meno componenti di un motore a benzina, ma le batterie agli ioni di litio rimangono una tecnologia complessa. Funzionano grazie a un'interazione fra diversi materiali che influisce su autonomia, velocità di ricarica, prestazioni e durata di un veicolo elettrico.

I produttori gareggiano per ottimizzare questi aspetti, sviluppando chimiche nuove che riducono al minimo i compromessi. E il candidato più promettente è la batteria allo stato solido senza anodo e con litio metallico.

"Se vuoi ottenere un cambiamento radicale nei costi e nell'energia per massa e volume, la modifica più importante è eliminare l'anodo", spiega Tim Holme, co-fondatore e direttore tecnico della start-up di batterie QuantumScape, intervistato da InsideEVs US.

Foto di: QuantumScape

Le differenze con le batterie classiche

I componenti chiave di una batteria agli ioni di litio tradizionale sono anodo, elettrolita, separatore e catodo. Insieme lavorano per trasferire elettroni durante i cicli di carica e scarica. L'anodo è considerato uno dei più problematici, sia per l'impatto ambientale che per la complessità della produzione.

Di solito è realizzato in grafite, un materiale stabile e durevole che, però, limita la velocità di ricarica e la densità energetica. La lavorazione della grafite richiede l'uso di solventi tossici e la Cina controlla la stragrande maggioranza della catena di approvvigionamento.

L’uso del silicio negli anodi aumenta, ma i costi restano alti, così come rimangono problemi di durata e stabilità del ciclo di vita.

Gli anodi rappresentano anche la causa del peso delle batterie per veicoli elettrici. Holme spiega che l'anodo è costituito da uno spesso strato di carbonio, che occupa un volume e una massa significativi. La sua produzione è inoltre ad alta intensità energetica e comporta molte emissioni di CO2.

QuantumScape cerca perciò di eliminare gli anodi tradizionali sviluppando una batteria al litio metallico in cui l’anodo può formarsi “in situ”, direttamente nella batteria, invece di essere inserito come componente separato. Come?

Durante la prima carica, gli ioni di litio si depositano sul collettore di corrente, formando l’anodo in litio metallico. Questo processo semplifica la produzione, riduce i costi e migliora la densità energetica. QuantumScape sostiene che un veicolo elettrico con batterie tradizionali e autonomia di 350 miglia (563 km), aumenterebbe le percorrenze a 400-500 miglia (644-805 km).

Foto di: QuantumScape

"Il litio metallico è l'anodo migliore. È migliore della grafite e del silicio", dichiara Holme. "Lo stato solido più il litio metallico danno vita a una batteria migliore. Non ci sono compromessi tecnici, ma è una sfida ingegneristica".

Sfide e soluzioni

Una delle sfide principali è prevenire la crescita dei dendriti, strutture metalliche affilate che possono svilupparsi nella batteria e comprometterne il funzionamento, portando a un degrado veloce che ne limita il ciclo di vita.

La soluzione proposta da QuantumScape è un separatore allo stato solido in ceramica. In questo caso, l'elettrolita è composto da un liquido organico, mentre il catodo può essere realizzato con nichel, ferro o entrambi.

"Il ferro è ovviamente più economico, ma ha una densità energetica inferiore, mentre il nichel ha una densità energetica più alta, ma è più costoso. Il nostro piano è offrire entrambe le piattaforme ai nostri clienti e lasciare che scelgano".

La cella QSE-5 della start-up utilizza questa nuova chimica. Le prime due lettere rappresentano il nome dell’azienda, la "E" sta per energia e il numero indica una capacità di cinque milliampere-ora, simile a quella della cella Tesla 2170 utilizzata in alcune versioni della Model Y.

La QSE-5 ha una densità energetica di 305 wattora per chilogrammo, leggermente superiore a quella delle celle Tesla 4680 NMC, utilizzate nel Cybertruck e nella Model Y, che hanno una densità stimata tra 272 e 296 Wh/kg. La batteria allo stato solido Solstice di Factorial raggiunge i 450 Wh/kg.

I vantaggi secondo QuantumScape

La durata della batteria migliora grazie all'eliminazione del "capacity fade", il calo della capacità dovuto alle reazioni chimiche tra anodo ed elettrolita, e anche la sicurezza è maggiore, perché il separatore ceramico è non combustibile e stabile anche sotto carichi termici estremi.

In caso di incidente, un veicolo con questa batteria avrebbe meno probabilità di incendiarsi.

Foto di: QuantumScape

Test in corso

QuantumScape ha già spedito i primi campioni "B" della sua nuova batteria ad alcuni costruttori d'auto per eseguire i test e prevede di inviarne altri durante l'anno. I campioni B sono prototipi di batterie quasi pronti per la produzione, utilizzati per test avanzati, come la convalida delle prestazioni, le valutazioni di sicurezza e l'integrazione nei veicoli elettrici.

Uno dei clienti di QuantumScape è PowerCo SE, una sussidiaria interamente controllata dal Gruppo Volkswagen dedicata alla produzione di batterie. “Abbiamo concesso loro in licenza la tecnologia e stiamo lavorando insieme per implementarla”, spiega Holme. “Stanno costruendo gigafactory in Spagna, Germania e Canada e collaboreremo con loro per portarla in produzione.”

In base all’accordo di licenza non esclusivo, PowerCo può produrre fino a 40 gigawattora di batterie utilizzando la tecnologia di QuantumScape, con la possibilità di espandere la capacità a 80 GWh, sufficiente per produrre 1 milione di veicoli elettrici all’anno.

Alla domanda sui costi rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, Holme paragona lo sviluppo delle celle allo stato solido alla rivoluzione di SpaceX nel settore dei razzi spaziali.

"Se confronti il primo razzo SpaceX con quello che faceva la NASA all'epoca, non era competitivo in termini di costi. Man mano che ne è migliorata la tecnologia, i costi di SpaceX sono scesi di ordini di grandezza".

Tradotto: inizialmente le batterie allo stato solido saranno più costose di quelle tradizionali.

"Se anche noi seguiamo la curva di apprendimento, aumentiamo i volumi e riduciamo i costi, possiamo diventare competitivi e persino superare le batterie agli ioni di litio".

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