La produzione dei semiconduttori ispira le celle litio-zolfo di Theion

La startup berlinese Theion annuncia una batteria litio-zolfo pronta per esordire nell’aerospaziale nel 2023 e dall’anno seguente le celle monocristalline delle Crystal Battery saranno utilizzabili anche nelle auto

La startup tedesca Theion sta completando i programmi di ricerca e sviluppo e si sta attrezzando per la commercializzazione: così nomina un nuovo amministratore delegato, il veterano del settore Ulrich Ehmen, che la aiuterà con la sua esperienza decennale nel campo della produzione di batterie per accompagnare il lancio della nuova Crystal Battery. Ehmens ha lavorato per molti anni per il produttore svizzero di batterie Leclanché ed è anche membro del comitato consultivo di tre grandi cluster di ricerca sulle batterie.

“Sono convinto che selezionando i giusti materiali attivi per le batterie e lavorandoli in modo che faccia leva sulle loro proprietà di stoccaggio, noi di Theion porteremo le prestazioni del settore a un nuovo livello creando una vera rivoluzione”, afferma Ehmes. “Con 16 brevetti, le nostre innovazioni di processo sono scalabili e consentono una nuova dimensione di mobilità, autonomia, durata e sostenibilità”.

I ricercatori Patrick Bonnick e John Muldoon sul Energy & Environmental Science lo scorso anno definivano in un loro paper la cella litio-zolfo un Dr. Jekyll e Mr. Hyde delle batterie, perché pur avendo potenziali qualità in grado di triplicare l’autonomia dei veicoli e la durata rispetto alle tradizionali celle agli ioni di litio, grazie alla capacità di stoccaggio molto superiore.

In teoria questa chimica permetterebbe una capacità dell’anodo fino a ~3,800 mA g^-1 e per il catodo di ~1,675 mA g^-1, che si tradurrebbe in densità di energia sulla carta fino a ~2.600 Wh/kg^-1. Inoltre ci sarebbe la possibilità di lavorare adeguatamente anche a basse temperature, migliori anche rispetto alle celle agli ioni di sodio, soffrono per quattro problemi conclamati.

Il più noto è l’effetto shuttle che investe i polisolfuri di litio depauperando il materiale attivo, poi ci sono la cinetica della deposizione di litio e polisolfuri a bassi ratei elettrolita/zolfo, la bassa conduttività elettrica del materiale attivo, e la tendenza di elettroliti soliti abbinati a questo tipo di celle a fessurarsi e creparsi per le ripetute espansioni e contrazioni del materiale attivo durante i processi di carica e scarica.

Cosa c’è sotto alla tecnologia litio-zolfo della Crystal Battery di Theion in grado di scavalcare questi ostacoli? Marek Slavik, co-fondatore della startup e oggi suo CTO, nel corso di passati interventi su LinkedIn in dialogo con colleghi ricercatori, aveva avuto modo di sottolineare anzitutto cosa non ci sia: nello slurry, l’amalgama di materiali attivi da cui vengono creati i catodi, Theion non ha sostituito semplicemente i minerali come nichel, manganese e cobalto con zolfo, perché questo produrrebbe elettrodi con conclamati problemi di cui gli scienziati non sono ancora venuti a capo.

Slavik ha spiegato che lui e collaboratori si sono ispirati alla bassa conduttività termica dello zolfo per cercare il modo di crescere wafer monolitici di zolfo da “liquido madre” usando cristalli-semi in maniera simile a quanto dagli Anni ’50 avviene col metodo Czochralski, che usa cristalli-semi per far “crescere” pani di silicio da una sostanza fusa; il controllo della direzione e dell’orientamento dei cristalli di zolfo consente loro di realizzare wafer su misura e con una porosità controllata.

Il processo (o metodo) Czochralski permette di ottenere la crescita di monocristalli di estrema purezza in appositi crogiuoli: la crescita dei cristalli è sfruttata per ottenere monocristalli di semiconduttori (come suggerisce Slavik di silicio, ma anche germanio e arseniuro di gallio), metalli (palladio, platino, argento eccetera), sali e gemme sintetiche.

Theion combina le proprietà del materiale cristallino dello zolfo con nanotubi di carbonio e un elettrolita solido brevettato nel proprio processo. La realizzazione di un elettrolita che si sposi bene con lo zolfo è fondamentale per contenere l’effetto-shuttle di litio e polisolfuri che porta ad un rapido decadimento della capacità della cella, ma risulta verificarsi solo quando si usa il metallo giallo con elettroliti liquidi che contengono i più comuni solventi basati su miscele di eteri, quali ad esempio DOL:DME.

“Sfruttiamo i cristalli di madre natura attraverso i nostri processi brevettati per sbloccare il pieno potenziale dello zolfo come vettore energetico”, ha affermato nella nota Slavik. “Lo zolfo, disponibile in grandi quantità in tutto il mondo, è fondamentale per i costi dei materiali. Il design dei nostri processi di produzione ad alta efficienza energetica rende le nostre batterie ai cristalli completamente sostenibili”.

Secondo Theion, lo zolfo non è solo più economico dei materiali catodici delle tradizionali batterie agli ioni di litio (prima del recente picco delle materie prime un catodo allo zolfo era 500 volte più economico di uno con chimica NMC), ma è anche molto più facile ed efficiente da elaborare. Complessivamente, è necessario circa il 90% in meno di energia per produrre qualsiasi cosa, dalla materia prima alla cella finita.

Theion è attiva nel perfezionamento della tecnologia dei nanotubi di carbonio; il progetto congiunto HiQ-CARB iniziato lo scorso anno, sta anche studiando l’uso di tali nanotubi per migliorare la conduttività del catodo. Mentre la ricerca è ancora in corso, Theion prevede di fornire i primi campioni di sviluppo di batterie entro la fine dell’anno, prima ai clienti dell’aerospaziale come parte della fase di certificazione per aeroplani, aerotaxi, droni, poi per l’elettronica di consumo. Nel 2024 saranno poi serviti altri settori, incluso l’automotive.

Oggi Theion ha tre sedi a Berlino, specializzate nella progettazione, prototipazione e test delle celle litio-zolfo. La società per creare stabilimenti di produzione valuta sia l’Europa, Asia e Stati Uniti per accelerare la propria tabella di marcia verso la produzione di massa, che dovranno essere vicine alla clientela. In altri termini la firma di contratti e il portafoglio ordini potrebbe determinare la geografia di espansione dei tedeschi.

Il principale investitore in Theion è Lukasz Gadowski, CEO di Team Global, società che effettua i primi investimenti in startup promettenti, come in passato Delivery Hero, Volocopter, Zapata e AutoFlight. “In un momento in cui la domanda di batterie nel settore è in forte aumento, ma i costi dei materiali e l’approvvigionamento sostenibile sono soggetti a grandi fluttuazioni, la tecnologia di Theion arriva esattamente al momento giusto”, ha commentato Gadowski.