SK Innovation punta sulla tecnologia di PolyPlus nella corsa alla densità di energia
Il gruppo sud-coreano dà fiducia alle celle solid state dei californiani: a Berkeley saranno sviluppati anodi litio metallo protetti da film vetrosi per fare barriera alla crescita dendritica
SK Innovation è la divisione che sviluppa e produce batterie per il principale gruppo sud-coreano dell’energia e della chimica. Nel settore delle celle e delle batterie però oggi segue a distanza le due rivali LG Chem e Samsung SDI. Una posizione che non piace ai suoi manager e scienziati che scalpitano per portarsi al livello della concorrenza nazionale ed internazionale.
Dal punto di vista commerciale questo ha portato SK Innovation a farsi largo nella fornitura a gruppi auto ben noti come Daimler e Volkswagen. Dal punto di vista del progresso tecnologico SK Innovation dimostra molta fretta, visto che almeno in una occasione ha già promesso, in stile Tesla, un prodotto con una timeline più ottimistica di quella effettiva: nel caso delle celle con chimica NCM 811 a basso contenuto di cobalto.
Ma il gruppo asiatico continua a cercare di assicurarsi un margine tecnologico sulla concorrenza, ed è di questi giorni un accordo con PolyPlus Battery Co., un’azienda americana nota fin dalla sua fondazione come “cacciatrice” di altissime densità di energia.
Non è sorprendente quindi che SK Innovation abbia scelto PolyPlus come partner per produrre prototipi di celle per batterie ricaricabili di nuova generazione, un traguardo verso il quale le due aziende stanno cercando insieme una scorciatoia.
Perché una scorciatoia, ci si chiederà: oggi la tecnologia commercialmente diffusa, quella che finisce nei pacchi batterie delle auto elettriche, ha sostanzialmente raggiunto un plateau che sulle schede-prodotto riporta a valori attorno ai 600 Wh/l e 250 Wh/kg.
I progressi attuali che riescono ad aumentare la densità di energia e la durata delle celle concentrandosi sull’efficienza del catodo sono a volte significativi (come appunto una cella a basso contenuto di cobalto) ma incrementali.
La ricerca sull’altro elettrodo, l’anodo, e quella sugli elettroliti ha obiettivi più ambiziosi, o in termini di velocità di ricarica e di vita media della batteria (è il caso degli anodi all’ossido di nobio delle batterie SCiB prodotte da Toshiba, che hanno però solo media densità di energia) oppure in alternativa mettendo nel mirino elevate densità di energia.
Un filone quest’ultimo, scelto da chi segue la strada del silicio puro per sostituire la grafite: potenzialmente potrebbe assicurare densità di energia di 1.200 Wh/l e 480 Wh/kg, ma sembra ancora difficile tradurre in un prodotto a prezzi accettabili e dalla vita abbastanza lunga. E tuttavia ad esempio la startup olandese LeydenJar Tech ha già attirato BMW in un round di finanziamento.
Una alternativa meno estrema sono anodi ad elevato contenuto di silicio: la californiana Enevate sta sviluppando la tecnologia proprietaria HD-Energy Technology con contenuto di silicio al 70% che vanta, oltre ad elevata densità di energia rispetto ad anodi in grafite, la possibilità di accettare cariche ultraveloci senza compromettere la performance nemmeno a basse temperature ambiente, secondo la startup. Qualità che hanno attirato l’interesse del fondo di investimento dell’Alleanza franco-giapponese, interessata alle licenze correlate.
Per arrivare a obiettivi meno fantascientifici di quelli del silicio puro c’è chi ha deciso di fare un passo indietro per saltare più lontano: un passo verso l’anodo realizzato in litio metallo, tipo molto comune qualche lustro fa ma abbandonato all’inizio degli anni ’80 per problemi di stabilità e sicurezza.
Con gli anodi in litio metallo PolyPlus promette di poter stoccare più energia per unità di volume e massa: 4 volte la densità gravimetrica e 10 volte la densità volumetrica dell’elettrodo convenzionale in grafite. L’elettrodo in litio metallo può operare a voltaggio più basso rispetto ai materiali oggi comunemente utilizzati per gli elettrodi negativi, spingendo la densità di energia verso valori di 440 Wh/kg.
PolyPlus, che ha sede in California a Berkeley, in passato ha lavorato a progetti di batterie avanzate inventando e brevettando il PLE (protected lithium electrode), una tecnologia che si è rivelata fondamentale per batterie innovative già commercializzate in settori di nicchia: litio-zolfo, litio-aria e litio-acqua.
Naturalmente i tecnici californiani hanno dovuto superare i problemi di stabilità e sicurezza tipici del litio metallo impiegato negli anodi: la loro risposta è un separatore costituito di sottili fogli di vetro monolitici, flessibili e con doti di conduttanza e resistenza tali da far da scudo ai dendriti.
I dendriti sono escrescenze che possono depositarsi durante i cicli di carica con tanto maggior vigore quanto più rapida è la fase di carica, fino ad arrivare a un vero e proprio rivestimento al litio dell’elettrodo. Anche quando i dendriti non arrivano a perforare il separatore generando pericolosi corti circuiti, sono comunque in grado di influenzare negativamente le performance della cella: gli ioni “ingabbiati” dal rivestimento dendritico smettono di partecipare ai cicli di carica e scarica.
Secondo PolyPlus la loro cella solid-state, nella quale il materiale vetroso assume i due compiti che nelle celle con elettroliti acquosi spettano a separatore e soluzione elettrolitica, previene la formazione dei dendriti e assicura una interazione più efficiente nei cicli di carica e scarica.
Il sottile film vetroso sarebbe quindi non solo più flessibile ma anche più robusto di membrane proposte da altri gruppi di ricerca. Peraltro finora il litio si è rivelato capace di avere ragione anche delle barriere opposte da elettroliti solid-state ceramici molto rigidi.
Se PolyPlus e SK Innovation riusciranno in futuro a dimostrare di essere i primi in grado di realizzare una batteria con anodo litio metallo protetto da una barriera a prova di dendriti, sarebbero in grado di commercializzare un prodotto che anticipa i tempi.
Anche ipotizzando le prime batterie con questa tecnologia su veicoli elettrici in uscita nel 2024-2025, si tratterebbe comunque di un sorpasso clamoroso sulle tabelle di marcia attualmente ritenute verosimili.
Il colosso cinese delle batterie CATL colloca solo nel 2030 la praticabilità di un anodo litio-metallo, mentre il gruppo Volkswagen prevede per lo stesso anno la disponibilità di celle all solid-state con densità di 1.000 Wh/l e 380 Wh/kg, comunque inferiori agli obiettivi di PolyPlus e SK Innovation.
