Il separatore QuantumScape avvicina la cella al litio metallico

Entro metà decade pronte le prime batterie solid state con quasi il 50% di densità volumetrica in più e una vera predisposizione nativa alla ricarica ultra-veloce senza rischi

Le notizie che arrivano dritte dalla California, appaiono una sorta di manna per quelli come Frank Blome (che a Salzgitter si trova a guidare Volkswagen Group Components) e per manager e ingegneri che come lui stanno cercando di assicurarsi celle sempre più performanti e abbordabili per le batterie delle auto elettriche del prossimo futuro.

A poche settimane dall’ingresso in borsa, Quantumscape ieri è venuta allo scoperto sui dati ottenuti nei test dalle sue celle solid state. La startup diretta da Jagdeep Singh prevede di portare sulle strade nel 2024/25 batterie equipaggiate coi nuovi separatori solid state in materiale ceramico e flessibile sviluppato a partire dal 2015 che, ha tenuto a sottolineare nel corso del webinar di ieri sera, “avranno prezzi analoghi a quelli dei separatori polimerici convenzionali”.

Come nel caso di progetti concorrenti, le celle solid state dello spinoff dell’università di Stanford sono state sviluppate con l’idea di liberarsi di anodi in grafite e separatori convenzionali oggi in uso per poter fare ricorso a litio metallico come anodo e usufruire della relativa densità elevata di energia e potenza. Un obiettivo facile da capire: la grafite ha capacità specifica teorica fino a 372 mAh/g, il litio metallico fino a 3862 mAh/g.

Un obiettivo però in passato spesso frustrato nella maggior parte dei tentativi dai fenomeni connessi alla placcatura di strati di litio, e dalla formazioni di dendriti coi rischi connessi di provocare corti circuiti nei pacchi batterie con conseguenze immaginabili.

Grazie a processi industriali e materiali protetti da oltre 200 brevetti, i separatori QuantumScape sostituiranno quelli in materiali organici nelle celle convenzionali, e le celle usciranno dalla linee prive di anodo, col solo catodo e separatore allo stato solido: l’anodo in litio metallico viene formato nella prima operazione di ricarica della cella ultimata, invece che nel corso della produzione, come indica il grafico dell’azienda californiana.

Nella slide tratta dal webinar di QuantumScape si nota all’estrema destra lo schema della cella appena caricata per la prima volta con in grigio il catodo, in bianco il separatore ceramico e in verde il litio metallico. Quando la cella esce dalla linea, al centro, il litio metallico non si è ancora formato. (credito immagine: QuantumScape via YouTube)

Il CEO Singh ha sottolineato come sia un beneficio economico per i costi delle future batterie anche poter eliminare dalla manifattura il ciclo di formazione nel quale si crea lo strato di passivazione, una operazione abitualmente delicata.

Jürgen Leohold, che per conto del gruppo Volkswagen (che è investitore di riferimento della startup) si è occupato di ricerca ha sottolineato l’importanza della possibilità di adottare la tecnologia QuantumScape con aggiornamenti alle linee delle fabbriche per metterle in grado di produrre celle al litio metallico, piuttosto che richiedendo siti produttivi completamente nuovi.

L’aspetto più interessante secondo molti degli intervenuti al convegno è stato quello visibile nell’immagine di apertura, la curva dei dati relativi alle ricariche veloci ed ultra-veloci. Il materiale impiegato ha dimostrato una notevole resistenza alla formazione di dendriti, solitamente scontata ad alte densità di corrente.

Le curve dei valori della placcatura di litio hanno dato valori sia nei due minuti di ricarica a tasso 25C superiore a 100mA/cm2, che nei 15 minuti con carica 4C a 16mA/cm2 che hanno colpito gli esperti. “Questi risultati spazzano via quello che veniva ritenuto possibile per una batteria solid state” ha detto Venkat Viswanathan, ex-ricercatore a Stanford oggi professore alla Carnegie-Mellon University.

Che ha anche aggiunto: “sopportare densità di corrente alte abbastanza da consentire ricariche veloci senza la formazione di dendriti è stato a lungo considerato il Sacro Graal di questo settore. I dati mostrano la facoltà di caricare all’80% della capacità in 15 minuti, che corrispondono alla stupefacente elevata capacità di depositare litio ad un tasso fino a un micron al minuto”.

Inoltre le celle con separatori allo stato solido testate anno mostrato la capacità di durare centinaia di migliaia di chilometri (i valori di efficienza coulombica registrati sono superiori al 99.97%) e di poter lavorare in un’ampia gamma di temperature esterne, incluso fino a -30°, qualcosa che incuriosisce in queste ore in cui si discute delle difficoltà alle Tesla con batterie cinesi CATL in condizioni ambientali rigide.

Visti i valori dei test delle celle hanno colpito anche il Professor Stan Whittingham, premio Nobel per la chimica 2019 per le sue ricerche sulle batterie agli ioni di litio: “La parte più dura nel fare una batteria solid state che funzioni è raggiungere contemporaneamente obiettivi di alta densità di energia volumetrica (1.000 Wh/L), ricaricare velocemente (ossia alta densità di corrente), lungo ciclo di vita (superiore a 800 cicli), e ampie temperature di esercizio”.

“Questi dati mostrano che le celle QuantumScape li ottengono tutti, ed è qualcosa che non si era mai visto prima”, ha rilevato inoltre Wittingham.“Se QuantumScape può trasferire questa tecnologia in un prodotto di massa ha in sé il potenziale per trasformare il settore. Perciò quello che dico è: forza, mettetele sulle auto”.

Detto da uno dei luminari della cella agli ioni di litio quale la conosciamo oggi può suonare come un tentativo di rendere obsoleta la propria creazione. Ma quello che in effetti è in gioco è il ridurre e superare il divario di costo tra veicoli convenzionali e quelli con batteria di trazione, oggi ancora sbilanciato a sfavore di quelli mossi dall’energia delle celle.

L’amministratore delegato Singh ha detto: “gli ioni di litio hanno fornito la pietra angolare dell’edificio della prima generazione di veicoli elettrici. Crediamo che la batteria QuantumScape con tecnologia solid state e anodo in litio metallico riveli al settore auto la prossima generazione di batterie e poggi le fondamenta per la transizione a flotte di veicoli più capillarmente elettrificate”.

Infine un ultimo aspetto della prospettiva di un settore batterie in cui si diffondano le celle coi separatori solid state è stato segnalato dall’ex-chief technology officer Tesla JB Straubel, membro del board della società di San José, ma che soprattutto ha fondato tre anni fa Redwood Materials, con cui si occupa a tempo pieno di economia circolare applicata alle batterie.

Ha commentato l’ex-braccio destro di Elon Musk: “nelle celle convenzionali prodotte attualmente il separatore in materiali organici e l’anodo in grafite sono la cosa più complicata da riciclare. Liberandosi degli uni e degli altri il riciclo di celle con anodi in litio metallico e separatori ceramici sarà più semplice di quanto non sia oggi”.

Credito immagine di apertura: screenshot da QuantumScape Solid State Battery Showcase, via YouTube