• Whoop 4.0. Whoop

Il grande salto delle batterie agli ioni di litio

I nuovi materiali anodici di Sila hanno racchiuso molta più energia in Whoop, un nuovo dispositivo indossabile per il fitness. L'azienda spera di fare lo stesso per i veicoli elettrici in tempi brevi.

di James Temple 09-09-21
Un'azienda di materiali ad Alameda, in California, ha trascorso l'ultimo decennio a lavorare per aumentare l'energia immagazzinata nelle batterie agli ioni di litio, un progresso che potrebbe consentire gadget più piccoli e veicoli elettrici con un'autonomia molto maggiore. Sila ha sviluppato particelle a base di silicio che possono sostituire la grafite negli anodi e trattenere più ioni di litio che trasportano la corrente in una batteria.

Ora l'azienda sta diffondendo il suo prodotto sul mercato per la prima volta, immettendo una porzione della polvere anodica nella batteria del prossimo Whoop 4.0, un fitness wearable. È un dispositivo piccolo, ma potenzialmente un grande passo avanti per il settore delle batterie, in cui i risultati di laboratorio promettenti spesso non si traducono in successo commerciale.

"Whoop 4.0 è la nostra Tesla Roadster”, afferma Gene Berdichevsky, CEO di Sila, che in qualità di settimo dipendente di Tesla ha contribuito a risolvere alcune delle sfide critiche relative alla batteria per il primo veicolo elettrico dell'azienda. "È davvero il primo dispositivo sul mercato che sta dimostrando la capacità di innovazione".

I materiali dell'azienda, con un modesto contributo di altri settori, hanno aumentato la densità di energia nella batteria del fitness tracker di circa il 17 per cento. Si tratta di un guadagno significativo in un campo che generalmente avanza di qualche punto percentuale all'anno. “Stiamo parlando di un grande salto in avanti, l’equivalente di circa quattro anni di progresso standard”, afferma Venkat Viswanathan, ricercatore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University.

Sila deve ancora affrontare alcune vere sfide tecniche, ma il progresso è un segnale promettente per il potenziale di batterie che permettano di abbandonare i combustibili fossili mentre i pericoli del cambiamento climatico accelerano. Aumentare la quantità di energia che le batterie possono immagazzinare rende più facile per fonti di elettricità sempre più pulite alimentare più edifici, veicoli, fabbriche e attività commerciali.  

Per il settore dei trasporti, una batteria più densa di energia può ridurre i costi o ampliare la gamma dei veicoli elettrici, affrontando due dei maggiori problemi che hanno finora tenuto lontano i consumatori. Promette inoltre di fornire batterie di rete in grado di risparmiare più energia da parchi solari ed eolici o gadget di consumo con una durata maggiore tra una ricarica e l'altra. La densità energetica è la chiave per "l'elettrificazione di tutto", afferma Berdichevsky, uno degli innovatori Under 35 nel 2017.

Nel caso del nuovo dispositivo indossabile per il fitness, i nuovi materiali della batteria e altri miglioramenti hanno permesso a Whoop di ridurre le dimensioni del 33 per cento, mantenendo cinque giorni di durata della batteria. Il prodotto è ora abbastanza sottile da essere inserito in un "abbigliamento intelligente" oltre ad essere indossato come un orologio. Sarà in vendita dall'8 settembre.

Sila, che ha annunciato un finanziamento di 590 milioni di dollari a gennaio, ha anche partnership in atto per sviluppare materiali per batterie per case automobilistiche tra cui BMW e Daimler. L’azienda ha affermato che la sua tecnologia potrebbe alla fine racchiudere fino al 40 per cento in più di energia nelle batterie agli ioni di litio.

Prevenire gli incendi

Berdichevsky ha ottenuto il suo lavoro a Tesla prima del suo ultimo anno alla Stanford University, dove stava prendendo una laurea in ingegneria meccanica. Ha finito per svolgere un ruolo chiave nell'affrontare un potenziale rischio mortale per l'azienda: un incendio in una qualsiasi delle migliaia di batterie imballate in un veicolo avrebbe potuto provocare una tragedia.

Ha istituito un programma per valutare sistematicamente una serie di progetti di batterie. Dopo centinaia di test, l'azienda ha sviluppato una combinazione di disposizioni di batterie, materiali per il trasferimento di calore e canali di raffreddamento che hanno ampiamente impedito lo sviluppo di incendi fuori controllo.

Dopo che Tesla ha lanciato la Roadster, Berdichevsky ha dovuto scegliere se impegnarsi per altri cinque anni nello sviluppo del veicolo successivo, il Model S, o cogliere l'occasione per provare qualcosa di nuovo. Alla fine, ha deciso di agire in proprio. E’ tornato a Stanford per un programma di master che studiava materiali, termodinamica e fisica, nella speranza di trovare modi per migliorare il processo di stoccaggio. 

Dopo la laurea, ha trascorso un anno come Eir (entrepreneur in residence) presso Sutter Hill Ventures, alla ricerca di idee che potessero costituire la base della propria attività. Durante questo periodo, si è imbattuto in un articolo scientifico che identificava un metodo per produrre particelle a base di silicio per anodi di batterie agli ioni di litio.

I ricercatori hanno da tempo visto il silicio come un modo promettente per aumentare l'energia nelle batterie, perché i suoi atomi possono legarsi con un peso di ioni di litio 10 volte superiore alla grafite. Ciò significa che contengono molte più molecole cariche che producono la corrente elettrica in una batteria. Ma gli anodi di silicio tendevano a sgretolarsi durante la carica, poiché si gonfiavano per accogliere gli ioni che si spostano avanti e indietro tra gli elettrodi.

Il documento, che vede come coautore il professore del Georgia Institute of Technology Gleb Yushin, ha evidenziato la possibilità di sviluppare materiali di silicio rigido con un nucleo poroso in grado di accettare e rilasciare più facilmente gli ioni di litio. L'anno successivo, Berdichevsky ha cofondato Sila con Yushin e Alex Jacobs, un altro ex ingegnere di Tesla.

Ostacoli e ritardi

L'azienda ha trascorso il decennio successivo a mettere a punto i suoi metodi e materiali, lavorando su più di 50.000 iterazioni chimiche mentre aumentava la sua capacità di produzione. All'inizio, ha deciso di sviluppare materiali drop-in che i produttori di batterie agli ioni di litio potessero scambiare, piuttosto che perseguire il percorso più costoso e più rischioso di produrre batterie complete. Tuttavia, Sila non è andata così avanti come aveva inizialmente sperato.

Dopo essersi assicurata diversi milioni di dollari dalla divisione ARPA-E del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, l’azienda a un certo punto ha detto all'agenzia di ricerca che i suoi materiali sarebbero stati prodotti entro il 2017 e sarebbero stati pronti per i veicoli entro il 2020. Nel 2018, quando Sila ha annunciato il suo accordo con BMW, ha affermato che le sue particelle avrebbero aiutato ad alimentare i veicoli elettrici della casa automobilistica tedesca entro il 2023.

Berdichevsky afferma che l’azienda ora prevede di essere presente nei veicoli “intorno al 2025”. Aggiunge che risolvere i problemi dell'"ultimo miglio" è stato semplicemente più complesso di quanto si aspettassero. Le difficoltà includevano la collaborazione con i produttori di batterie per ottenere le migliori prestazioni dai nuovi materiali. "Eravamo ingenuamente ottimisti riguardo alle sfide del ridimensionamento e dell'introduzione dei prodotti sul mercato", ha affermato in una e-mail.

Le notizie su Whoop segnalano che Sila è stata in grado di progettare le particelle in modo da offrire sicurezza, cicli di vita e altri benchmark sulle prestazioni della batteria simili a quelli ottenuti nei prodotti esistenti. Ma è significativo che le particelle di Sila forniranno solo circa il 25 per cento della capacità nell'anodo della batteria, mentre i materiali standard di grafite forniscono il resto.

Viswanathan afferma che il test più grande andrà dalla parziale alla completa sostituzione della grafite. Ciò richiede un maggiore livello di precisione e prestazioni. Inoltre, afferma, l'azienda deve ancora affrontare sfide significative che vanno dai dispositivi di consumo alle esigenze più rigorose dei veicoli elettrici. Auto, camion e autobus hanno bisogno di batterie ad alta densità energetica ed estremamente sicure che si caricano rapidamente e durano per molti cicli di vita, tra le altre cose. 

Il problema con la chimica delle batterie è che il miglioramento dei materiali e dei processi coinvolti in uno standard di prestazione può spesso andare a scapito di altri, afferma Viswanathan. Berdichevsky afferma che i materiali delle batterie di Sila sostituiranno completamente la grafite nel suo prossimo prodotto commerciale, che avverrà con con un partner che non può ancora annunciare. E a differenza di altri materiali promettenti per batterie che stanno guadagnando l'attenzione della stampa e degli investitori in questi giorni, come il litio metallico, i materiali in silicio di Sila sono già nei prodotti.

(rp)
  • Celle di batterie prodotte da Sila con particelle a base di silicio. Sila
  • Gene Berdichevsky, amministratore delegato e cofondatore di Sila. David Paul Morris / Sila