L'era del silicio è qui...per le batterie

Dal debutto commerciale delle batterie agli ioni di litio tre decenni fa, questa tecnologia di accumulo di energia portatile e ad alta densità (e vincitrice del Premio Nobel) ha rivoluzionato i campi dell’elettronica di consumo, dei veicoli elettrici e dello stoccaggio di energia su larga scala. Eppure, anche per quanto riguarda i grandi progressi della tecnologia – ad esempio uno sconcertante calo di prezzo di trenta volte tra il 1991 e il 2018 – i maggiori miglioramenti si sono verificati principalmente sul lato del catodo di ossido di litio-metallo. Gli anodi in grafite delle batterie agli ioni di litio, al contrario, sono rimasti sostanzialmente gli stessi.

Il silicio è da tempo promettente come mezzo per gli anodi, perché può contenere 10 volte più ioni di litio in peso rispetto alla grafite. In effetti, il primo utilizzo documentato del silicio come anodo di batterie al litio è addirittura anteriore a quello della grafite, di sette anni. Ma gli esperimenti con questo elemento sono stati afflitti da sfide tecniche, tra cui l’espansione del volume dell’anodo quando caricato con ioni di litio e la conseguente frattura del materiale che può verificarsi quando un anodo si espande e si contrae.

Ora, tuttavia, dopo circa 15 anni di miglioramenti incrementali e speranze deluse, è finalmente arrivato il momento del silicio come materiale fondamentale nelle batterie.

“Il silicio ha trasformato il modo in cui immagazziniamo le informazioni, e ora sta trasformando il modo in cui immagazziniamo energia.”–Rick Costantino, Group14

Alcune case automobilistiche e startup di anodi di silicio si sono unite per produrre veicoli elettrici a lungo raggio e a basso costo che potrebbero essere sulla strada entro la metà del decennio. General Motors e OneD Battery Sciences a Palo Alto, in California, stanno inserendo la nanotecnologia del silicio di OneD nelle celle della batteria Ultium di GM. L'anodo di silicio di Sila Nanotechnologies, con sede ad Alameda, in California, che alimenta il fitness tracker Whoop dal 2021, sarà nel SUV Mercedes Classe G entro il 2026. Group14 Technologies, a Woodinville, nello stato di Washington, dovrebbe avere la sua batteria al silicio installata in una Porsche EV entro il prossimo anno.

Alla fine del 2022, Group14, Sila e Amprius Technologies a Fremont, in California, hanno raccolto quasi mezzo miliardo di dollari per commercializzare i loro materiali anodici, con 250 milioni di dollari dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e, per Group14, altri 214 milioni di dollari in investimenti privati . Tutti e tre prevedono di avere fabbriche nazionali su scala gigawatt attive e funzionanti nei prossimi anni. Group14 ha iniziato la costruzione di un impianto da 20 gigawatt a Moses Lake, nello stato di Washington, in aprile.

"Il silicio ha trasformato il modo in cui archiviamo le informazioni, e ora sta trasformando il modo in cui immagazziniamo l'energia", afferma Rick Costantino, Chief Technology Officer di Group14.

Il silicio promette veicoli elettrici con autonomia più lunga, ricarica più rapida e più convenienti rispetto a quelli le cui batterie sono dotate degli odierni anodi di grafite. Non solo assorbe più ioni di litio, ma li trasporta anche più velocemente attraverso la membrana della batteria. Ed essendo il metallo più abbondante nella crosta terrestre, dovrebbe essere più economico e meno suscettibile ai problemi della catena di approvvigionamento. Allo stato attuale, quasi tutto il materiale degli anodi di grafite viene lavorato in Cina.

Secondo quanto riferito, Tesla ha aggiunto fino al 5% di silicio negli anodi delle sue batterie. Ma le startup degli anodi di silicio vogliono andare molto oltre.

Quando i ricercatori iniziarono per la prima volta a esplorare il silicio per gli anodi delle batterie al litio – come notato sopra, nel 1976, prima che la grafite diventasse la soluzione di compromesso – il drastico rigonfiamento e restringimento del silicio durante la carica e la scarica disintegrò rapidamente l’anodo. E le reazioni collaterali avverse hanno complicato il processo durante la ricarica e hanno anche ridotto la durata della batteria.

Alcuni produttori di batterie commerciali, tra cui Tesla, hanno aumentato la capacità di trattenere il litio degli anodi delle loro batterie aggiungendo una piccola quantità (di solito fino al 5%) di silicio. Ma le startup degli anodi di silicio vogliono andare molto oltre.

La maggior parte di loro considera il silicio nanoingegnerizzato come soluzione alternativa ai problemi di rigonfiamento e reazione laterale. Il professore di scienza dei materiali di Stanford Yi Cui e il suo laboratorio hanno dato il via a questo campo di ricerca con un articolo del 2008 su Nature Nanotechnology sui nanofili di silicio che resistono al rigonfiamento. Altri presto hanno dato una svolta diversa a questo, con nanoparticelle di silicio sferiche, particelle di tipo nucleo-guscio costituite da nuclei di silicio con rivestimenti protettivi attorno a loro e particelle di silicio con superfici incise.