Semplice vero? Solo che nulla di queste batterie è in realtà semplice una volta che inizi a scavare nei dettagli, cosa che sto per fare perché non posso trattenermi.
Perché il litio però? (Ecco dove divento fastidioso)
Elemento numero 3. Idrogeno, elio, litio. Questo è l'ordine. Atomo super piccolo perché ha solo 3 protoni.
Ed ecco il problema del litio -: vuole VERAMENTE sbarazzarsi del suo elettrone esterno. Come se lo volesse disperatamente. È un po' instabile in questo senso. Conosci quei video di persone che gettano sodio nell'acqua e questa frigge e prende fuoco? Il litio fa questo ma ALTRO. Una volta, durante una dimostrazione sulla sicurezza nel 2011 (o 2012?), ho visto qualcuno far cadere un pezzo di litio metallico in un secchio d'acqua ed è stato davvero spaventoso la velocità con cui ha reagito. Il secchio si sciolse.
Aspetta no, il secchio non si è sciolto. L'acqua bolle e il litio prende fuoco in superficie. Il secchio andava bene. La mia memoria è una merda.
Comunque il punto è: il litio metallico puro è pericoloso. Ecco perché le moderne batterie agli ioni di litio- non utilizzano litio metallico puro - ma utilizzano IONI di litio. Litio già ossidato. La forma Li+. Molto più stabile.
La tensione che ottieni è di circa 3,6-3,7 V per cella, il che è decente. Meglio delle alcaline (1,5 V) o delle NiMH (1,2 V). Significa che hai bisogno di meno celle per raggiungere la tensione target. Ecco perché la batteria del tuo laptop ha 6 celle invece di 15.
Inoltre io e - avremmo dovuto menzionare che questo primo - litio è LEGGERO. Terzo elemento più leggero. Quindi ottieni un'elevata densità energetica senza un peso folle. Ecco perché i veicoli elettrici utilizzano ioni di litio-e non piombo-acido. Una batteria al piombo-con la stessa energia peserebbe letteralmente 5-6 volte di più. La tua Tesla avrebbe bisogno di un carrello elevatore per cambiare la batteria.
I componenti effettivi (allacciatevi le cinture, questo diventa tecnico)
Anodo (lato negativo):
Di solito grafite. Sì, la stessa cosa che c'è nelle matite, solo che è molto più pura e lavorata in modo diverso.
La grafite ha questa struttura cristallina a strati - immagina un mazzo di carte a livello atomico. Gli strati sono tenuti insieme dalle deboli forze di van der Waals (la chimica del liceo torna a perseguitarti). Gli ioni di litio possono scivolare tra questi strati e restare lì. Il termine tecnico è "intercalazione", ma per me è come parcheggiare le auto in un garage a più piani.
La capacità massima teorica è di 372 milliamp-ora per grammo. Nel mondo reale- ottieni 340-360 mAh/g se la produzione non fa schifo. Ho visto celle di alcuni produttori cinesi che riuscivano a malapena a raggiungere i 310 mAh/g. Non nominerò i nomi, ma se riorganizzi le lettere in "BYD" ottieni... okay, sto nominando i nomi. Le loro prime celle erano ruvide. Tuttavia, sono migliorati molto rispetto al 2018.
Adesso tutti continuano a parlare di anodi di silicio perché teoricamente il silicio può contenere 10 volte più litio della grafite. Sembra fantastico, vero? 3700+ mAh/g di capacità teorica.
Il problema - e questo è il problema che è stato "quasi risolto" da quando ho iniziato in questo settore - è che il silicio si espande di circa il 300% quando lo si litia. Le particelle si spezzano letteralmente. Immagina di gonfiare un palloncino all'interno di un blocco di cemento. Il cemento non si flette, si rompe e basta.
Tesla ora usa del silicio, mescolato con la grafite. Forse il 5-10% di silicio? Ho sentito che era l'8% ma potrei sbagliarmi. Il punto è che è una piccola somma. Gli anodi di silicio puro non sono ancora pronti, nonostante ciò che afferma il pitch deck di serie A di ogni startup.
Catodo (lato positivo):
Oh ragazzo. È qui che le cose diventano complicate perché ci sono circa 6 diverse chimiche catodiche e tutti hanno opinioni su quale sia la migliore e sono tutte sbagliate perché dipende dall'applicazione.
Quello originale di Sony nel 1991 era ossido di litio cobalto - LiCoO₂. Lo chiamiamo "LCO" in breve. La densità energetica è piuttosto buona - 150-200 mAh/g a seconda di chi l'ha realizzato. Ma la stabilità termica è terribile. Se lo sovraccarichi o lo fai troppo caldo, la struttura cristallina rilascia ossigeno. Ossigeno + elettrolita organico + calore=brutta giornata. Probabilmente il tuo telefono utilizza LCO perché non è necessario che i telefoni durino 10 anni e non li ricarichi-rapidamente a 10°C.
Poi c'è l'ossido di cobalto, nichel, manganese e NMC -. Questo è ciò che utilizza oggi la maggior parte dei veicoli elettrici. Il rapporto tra nichel, manganese e cobalto continua a cambiare. Iniziato come 1:1:1 (parti uguali). Successivamente i produttori sono passati al 5:3:2. Quindi 6:2:2. Ora siamo a 8:1:1 o addirittura 9:0,5:0,5 in alcune celle-di fascia alta.
Perché lo spostamento? Il cobalto è costoso. Davvero costoso. Inoltre, la maggior parte del cobalto proviene dalla RDC (Repubblica Democratica del Congo) e la situazione mineraria lì è... complicata. Lavoro minorile, condizioni non sicure, tutto il caos. Quindi tutti cercano di usare meno cobalto.
Più nichel=più capacità ma meno stabilità termica. Più manganese=più economico e più stabile ma con meno capacità. Più cobalto=ciclo di vita più stabile e migliore ma $$$ e questioni etiche.
Si tratta sempre di compromessi-. Sempre. Ho avuto così tante discussioni con i product manager a riguardo. Vogliono un'elevata densità di energia, un lungo ciclo di vita, un basso costo e una buona sicurezza. Puoi sceglierne forse due. Forse.
C'è anche l'alluminio NCA - al nichel-cobalto. Tesla lo ha utilizzato per anni nei suoi zaini a lungo-raggio. Panasonic li ha realizzati alla gigafactory del Nevada. Una volta ho visitato un'altra fabbrica di batterie - non quella, ma la struttura di un concorrente - e la stanza asciutta da sola era pazzesca. Il sistema di trattamento dell'aria probabilmente costerà $50+ milioni. Tutto deve essere inferiore a -40 gradi di rugiada altrimenti il sale elettrolitico assorbe l'umidità e crea acido fluoridrico. L'HF divorerà qualsiasi cosa. Vetro, metallo, osso. Roba brutta.
Oh e LFP - litio ferro fosfato. Questo sta tornando alla ribalta. È più sicuro, più economico per kWh e dura più a lungo. Ho sentito parlare di celle LFP che eseguono 5000+ cicli all'80% della capacità. Forse anche 6000. Lo svantaggio è la densità energetica inferiore - solo come 120-140 mAh/g contro 180-200 per NMC.
Tesla ha iniziato a inserire l'LFP nei propri modelli 3 della gamma standard intorno al 2021. Il mercato cinese li ha ottenuti per primi. È logico che - CATL sia il più grande produttore di LFP e sia in Cina.
Alcune persone si lamentano della perdita di portata LFP quando fa freddo. È peggio dell'NMC. Ma le celle sono più economiche e durano più a lungo, quindi per molte applicazioni vale la pena fare un compromesso. Per una city car prenderei un pacchetto LFP. Per un'auto da corsa a lungo raggio-forse no.
Elettrolita:
Questo è il liquido nel mezzo. Conduce ioni ma non elettroni, il che è importante perché se conducesse elettroni si avrebbe solo un cortocircuito.
Di solito si tratta di esafluorofosfato di litio - LiPF₆ - disciolto in solventi organici. I solventi sono tipicamente una miscela di carbonato di etilene (EC) e dimetil carbonato (DMC) o dietil carbonato (DEC).
Ecco un dettaglio strano: l'EC è solido a temperatura ambiente. Il punto di fusione è di circa 36 gradi. Quindi la CE pura si congelerebbe in inverno. Ecco perché lo mescoli con DMC o DEC che sono liquidi fino a -70 gradi o qualcosa del genere. La miscela rimane liquida in condizioni ragionevoli.
Anche i carbonati organici sono infiammabili. La benzina non è-infiammabile ma sicuramente infiammabile. Una volta ho visto un test di penetrazione del chiodo in cui abbiamo deliberatamente piantato un chiodo attraverso una cella completamente carica. Ha prima fatto uscire il gas - con uno scoppio - poi le fiamme sono uscite dal foro di sfiato. Raggiunto circa 2 metri di altezza. L'intera cella è arrivata a circa 800 gradi in base alle riprese della termocamera.
È stato un test controllato con sistemi antincendio e tutto il resto. Ancora spaventoso però.
Il sale LiPF₆ è igroscopico da morire. Ama l'acqua. Se si bagna si idrolizza in HF. Ecco perché la produzione delle batterie avviene in ambienti estremamente asciutti. Sto parlando di un punto di rugiada di -40 gradi o inferiore. Il sistema di deumidificazione è solitamente uno dei maggiori consumatori di energia in una fabbrica di celle.
Una volta ho visitato una struttura in cui la stanza asciutta era così secca che faceva male respirare. Il tuo naso si seccherebbe in pochi minuti. Tutti coloro che lavoravano lì dovevano usare costantemente spray salini. Ambiente di lavoro non piacevole.
Separatore:
La componente dimenticata. È solo una sottile membrana polimerica ma è fondamentale.
Solitamente polipropilene (PP) o polietilene (PE). A volte un triplo strato con PP-PE-PP. Lo spessore è tipicamente di 20-25 micron. È sottile. Più sottile di un capello umano (70-100 micron).
Ha pori microscopici - con un diametro di 100 nanometri - che lasciano passare gli ioni ma bloccano gli elettroni. Inoltre mantiene l'anodo e il catodo fisicamente separati. Se toccano=cortocircuito=le cose brutte accadono velocemente.
Ricordate gli incendi del Samsung Galaxy Note 7? 2016. Ciò è dovuto in parte al danneggiamento del separatore. Samsung ha progettato la batteria in modo troppo aggressivo. Troppo sottile, imballato troppo stretto, nessuna tolleranza per l'espansione. Alcune celle avevano il separatore premuto troppo in un angolo. Si è sviluppato un punto debole. Alla fine ho ottenuto uno stenopeico. Corto interno. Fuga termica. Fuoco.
Hanno richiamato 2,5 milioni di telefoni. Bandito dagli aerei. Costato miliardi a Samsung. Tutto a causa di un pezzo di plastica più sottile della carta.
Ho opinioni sul design aggressivo della batteria. I produttori continuano a spingere prodotti più sottili e leggeri per battere la concorrenza. Ma c'è un limite. Alla fisica non interessa il programma di lancio del prodotto.
Come funziona realmente (la parte che tutti saltano)
Ricarica:
Colleghi il telefono. Il caricatore forza gli elettroni nell'anodo e li estrae dal catodo. Ciò fa sì che il catodo rilasci ioni di litio. Gli ioni viaggiano attraverso l'elettrolita fino all'anodo. Vengono intercalati nella struttura della grafite.
Pensalo come comprimere una molla. Gli ioni di litio non vogliono essere naturalmente nell'anodo - sono più stabili nel catodo. Ma li stai costringendo laggiù applicando tensione. Energia immagazzinata.
Scarica:
Scolleghi e usi il telefono. La primavera libera. Gli ioni di litio ritornano al catodo attraverso l'elettrolita. Gli elettroni fluiscono attraverso il circuito del telefono dall'anodo al catodo. Quel flusso di elettroni alimenta il tuo dispositivo.
La tensione dipende dalla chimica e dallo stato di carica. Per NMC o NCA:
Completamente carico: ~4,2 V
Nominale: ~3,7 V
Completamente scarico: ~3,0 V
Non scendere sotto i 3,0 V altrimenti inizierai a placcare il litio metallico, il che è pericoloso. Non superare i 4,2 V o rischi di fuga termica. Ecco perché esistono i sistemi di gestione della batteria (BMS). Monitorano la tensione, la temperatura e la corrente e spengono le cose se qualcosa sembra sbagliato.
Una buona progettazione del BMS è difficile. Davvero difficile. Sono necessari tempi di risposta rapidi, sensori accurati e controlli di sicurezza ridondanti. Un BMS economico è uno dei modi più rapidi per trasformare una batteria decente in un pericolo di incendio.
I problemi (oh cavolo, ci sono così tanti problemi)
Problema 1: il degrado è inevitabile
Ogni ciclo di carica-scarica danneggia la batteria. Inevitabile. Termodinamica.
C'è questa cosa chiamata strato SEI - interfase dell'elettrolita solido - che si forma sulla superficie dell'anodo. In realtà è necessario affinché la batteria funzioni. Ma continua a crescere nel tempo e a consumare litio attivo. Dopo 500 cicli potresti avere il 90% della capacità rimasta. Dopo il 1000 forse l’80%. Dopo il 2000... dipende.
Ho un MacBook del 2015 che mostra ancora il 78% di integrità della batteria. Lo tengo però - raramente lasciarlo scendere sotto il 40%, tenerlo collegato quando possibile, non caricarlo mai in un'auto calda. Mia moglie ha un MacBook del 2018 che ha una salute del 62% perché lo usa duramente. Cicli completi ogni giorno, lo lascia in carica durante la notte, lo usa sulle ginocchia mentre fa caldo. Il modo in cui tratti la batteria conta MOLTO.
Anche il catodo si degrada. L'NMC ad alto-nichel è particolarmente dannoso. Al di sopra di 4,3 V la superficie del catodo inizia a reagire con l'elettrolita. Gli ioni dei metalli di transizione (nichel, manganese, cobalto) possono dissolversi e migrare verso l'anodo dove rovinano il SEI. C'è anche questa cosa chiamata densificazione catodica in cui la struttura cristallina si compatta lentamente e perde porosità.
Non posso davvero impedirlo. È solo chimica. L’entropia vince sempre.
Problema 2: La temperatura distrugge tutto
Al di sotto di 0 gradi l'elettrolito diventa viscoso come il miele freddo. Il trasporto ionico rallenta. Perdi forse il 20-30% della capacità a -10 gradi. Ancora peggio, se provi a caricare velocemente una batteria fredda, metterai litio metallico sull'anodo invece di intercalarlo. Ciò crea dendriti, strutture aghiformi di litio metallico che possono crescere e infine perforare il separatore. Corto interno. Fuoco.
Al di sopra dei 40-45 gradi tutte le reazioni di degradazione accelerano. Regola pratica: ogni aumento di 10 gradi raddoppia la velocità di reazione. Quindi una batteria a 45 gradi si degrada circa 4 volte più velocemente che a 25 gradi.
Vivo in Texas. Le temperature estive raggiungono i 100 gradi F+ (38 gradi +). Ho visto batterie per veicoli elettrici che hanno perso il 15% della capacità in 3 anni solo a causa dell'esposizione al calore. Nel frattempo i veicoli elettrici in Minnesota si deteriorano appena in estate - ma perdono autonomia in inverno a causa del freddo. Non posso vincere.
La temperatura operativa ideale è di 20-25 gradi. Buona fortuna a mantenerlo nel mondo reale.
Problema 3: la ricarica rapida è intrinsecamente problematica
Tutti vogliono ricaricare i veicoli elettrici in 10-minuti come in una stazione di servizio. Ma spingere una potenza enorme attraverso una batteria genera calore. Perdite I²R - resistenza al quadrato della corrente. La resistenza è piccola ma non zero. Con una ricarica di 250 kW stai generando un calore significativo.
Anche la carica rapida sollecita meccanicamente i materiali degli elettrodi. Costringe gli ioni a muoversi velocemente attraverso la struttura. Può causare fessurazioni e fratture di particelle nel tempo.
I Supercharger Tesla (V3) possono raggiungere un picco di 250 kW. Ma si riducono rapidamente. Forse 250 kW per 5 minuti, poi 150 kW, poi 100 kW, poi 50 kW. Questo è il BMS che protegge le cellule.
I più recenti sistemi da 800 V di Porsche e Hyundai possono produrre 350 kW. Ma solo brevemente. La fisica è fisica.
Sono in corso ricerche sulla progettazione di elettrodi ottimizzati per la-ricarica rapida-. Elettrodi più sottili, particelle più piccole, rivestimenti migliori. Aiuta. Ma non si può imbrogliare la termodinamica.
Problema 4: Fuoco
Le batterie agli ioni di litio-non prendono fuoco spesso. Molto meno delle auto a benzina. Ma quando lo fanno è drammatico.
Fuga termica. Una volta che una cellula raggiunge una temperatura critica - varia in base alla chimica, forse 150-200 gradi: iniziano le reazioni esotermiche. Il SEI si decompone. Il separatore si scioglie. L'elettrolito bolle. Il catodo rilascia ossigeno. Ogni reazione produce calore che innesca più reazioni. Ciclo di feedback positivo.
Non puoi spegnerlo con l'acqua come un normale fuoco. Voglio dire, puoi versarci sopra dell'acqua per raffreddarla, ma la cella continua a generare calore internamente. I vigili del fuoco odiano gli incendi dei veicoli elettrici. Ci vogliono ore per spegnerlo. Può riaccendersi più tardi.
Le celle moderne hanno però caratteristiche di sicurezza. Separatori di arresto che si chiudono quando riscaldati. Sfiati di pressione. Interruzioni attuali. Fusibili termici. Inoltre il BMS controlla tutto.
Succede ancora a volte però. Fa notizia ogni volta anche se statisticamente i veicoli elettrici sono più sicuri delle auto a gas. Problema di pubbliche relazioni.
Problema 5: Etica del cobalto
Il 70% del cobalto proviene dalla RDC. Molti provengono da miniere artigianali con pessime condizioni di lavoro. Rapporti sul lavoro minorile. Danno ambientale. È un disastro.
Tutti cercano di usare meno cobalto. L'NMC ad alto-nichel ne utilizza pochissimo. LFP utilizza zero. Ma il cobalto stabilizza la struttura del catodo. Senza di esso sono necessari una migliore gestione termica e limiti di tensione più severi.
Anche i prezzi del cobalto sono folli. Meno di 30.000 dollari/tonnellata nel 2016. Ha raggiunto oltre 90.000 dollari nel 2018. È crollato a 25.000 dollari nel 2020. Ora è intorno ai 35.000 dollari/tonnellata. Come pianifichi la produzione quando il costo delle materie prime varia di 3 volte?
Problema 6: Caos della catena di fornitura
I prezzi del litio sono impazziti nel 2021-2022. 6.000 $/ton nel 2020. Ha raggiunto il picco di circa 80.000 $/ton alla fine del 2022. È crollato a 12.000 $/ton nel 2024. Ora è intorno ai 15.000 $/ton nel 2025.
La maggior parte del litio proviene dall'Australia (estrazione di rocce dure) o dal Sud America (estrazione di salamoia dalle saline in Cile/Argentina/Bolivia - il "triangolo del litio"). Ma la maggior parte dell’elaborazione avviene in Cina. Circa il 75% della capacità globale di raffinazione del litio.
La Cina controlla anche la produzione di batterie, pari a - 75% della produzione globale di celle. E il 90% dei materiali anodici (lavorazione della grafite).
Questo è il motivo per cui gli Stati Uniti e l’Europa si stanno affrettando per costruire catene di approvvigionamento nazionali. Ma è lento. Ci vogliono anni per costruire una gigafactory. Ci vuole più tempo per costruire la catena di fornitura a monte.
Il litio-per batterie deve essere estremamente puro. Meno dello 0,01% di impurità. Quel livello di raffinazione non è economico né veloce.
Perché siamo vincolati agli ioni di litio- (per ora)
Nonostante tutto ciò di cui mi sono appena lamentato, gli ioni di litio- sono ancora la migliore opzione su scala commerciale.
Densità energetica: 250-300 Wh/kg a livello cellulare. Forse 160-180 Wh/kg a livello di confezione dopo aver aggiunto raffreddamento, struttura e BMS. È sufficiente per 300+ miglia di veicoli elettrici senza un peso ridicolo.
Confrontare:
Piombo-acido: 30-50 Wh/kg (pesante da morire)
NiMH: 60-120 Wh/kg (quello utilizzato dalla Prius)
NiCd: 40-60 Wh/kg (anche tossico, per lo più eliminato)
La produzione è matura. Decine di fornitori. Molteplici gigafactory. Catene di fornitura consolidate. Economia di scala.
La gigafactory di Tesla in Nevada punta a 35 GWh/anno. È sufficiente per oltre 500.000 veicoli elettrici. CATL in Cina produce ancora più - credo 200+ GWh/anno? Forse 300? Dovrei controllare.
Tutta l'infrastruttura utilizza anche gli ioni di litio-. Standard di tariffazione (CCS, NACS, CHAdeMO). Algoritmi BMS. Norme di sicurezza. Processi di riciclaggio. Non possiamo semplicemente scambiare una chimica diversa senza riprogettare tutto.
Cosa potrebbe eventualmente sostituirlo
Batterie-allo stato solido:Sostituire l'elettrolita liquido con ceramica solida, vetro o materiale solforato. Vantaggi: nessuna perdita, meno rischio di incendio, forse utilizzare anodi metallici al litio per una maggiore densità di energia.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - ci stanno lavorando tutti. QuantumScape dichiara 800 Wh/kg in celle di laboratorio con 800+ cicli. Impressionante se vero.
Problemi: Resistenza dell'interfaccia tra elettrolita solido ed elettrodi. Difficile mantenere un buon contatto per migliaia di cicli poiché i materiali si espandono/contraggono. La maggior parte degli elettroliti solidi sono fragili - i dendriti possono romperli. La produzione su larga scala non è completamente provata.
Sono scettico sul fatto che vedremo questo nelle auto tradizionali prima del 2030. Forse nel 2028 se qualcuno farà una svolta. Ma probabilmente più tardi. Ho sentito dire "lo stato solido-manca 5 anni" negli ultimi 10 anni.
Litio-zolfo:Densità energetica teorica di 2600 Wh/kg. Lo zolfo è economico e abbondante.
Problema: effetto navetta del polisolfuro. I prodotti intermedi si dissolvono nell'elettrolita provocando un rapido esaurimento della capacità. Dopo 50 cicli la batteria è rotta.
Questo problema è stato "quasi risolto" per 20+ anni. Ancora non c'è.
Ione-di sodio:Sta succedendo davvero adesso. CATL ha iniziato la produzione nel 2023. BYD ci sta lavorando.
Il sodio è ovunque (acqua di mare). Molto più economico del litio. Può utilizzare apparecchiature di produzione simili.
Ma la densità energetica è inferiore: 150-160 Wh/kg contro 250-300 per gli ioni di litio.
Ha senso per lo stoccaggio stazionario e i veicoli elettrici economici. Non sostituiremo a breve gli ioni di litio-nei prodotti premium.
Anodi metallici al litio:Usa il litio metallico invece della grafite. Conservare l'elettrolito liquido. Potrebbe raggiungere i 400-500 Wh/kg a livello cellulare.
Il problema dei dendriti persiste. Ognuno ha la propria soluzione - rivestimenti, additivi elettrolitici, ecc. Vedremo chi avrà successo per primo.
Oh ebatterie ai polimeri di litio- probabilmente dovrebbe menzionarli. Usano gel o elettrolita polimerico solido anziché liquido. Forme più sottili, più leggere, più flessibili. I tuoi auricolari wireless probabilmente ne hanno uno. Leggermente più sicuro del liquido ma la densità energetica è più o meno la stessa. È ancora tecnologia agli ioni di litio-, solo confezionata in modo diverso. I dipartimenti di marketing adorano chiamarli "LiPo" come se fosse una cosa rivoluzionaria. Non lo è.
