Il sacro vangelo del motorsport di Colin Chapman - "Semplifica, quindi aggiungi leggerezza" - ha subito un duro colpo nell'era elettrica. Ogni volta che lancio un moderno missile ad alta tensione in uno stretto tornante, posso sentire la gomma torturata urlare sotto la massa di tutto ciò. Abbiamo costruito macchine straordinarie con una coppia sconvolgente, ma lo sporco segreto dietro ogni veicolo elettrico con finiture in carbonio è che stiamo trascinando in giro un'enorme lastra di peso morto chimico da mezza tonnellata (se siamo fortunati).
Il colpevole è la chimica convenzionale degli ioni di litio. Le celle della batteria che utilizzano anodi di grafite stanno già sfiorando il loro tetto teorico di circa 350 Wh/kg. Per ottenere una vera autonomia da gran turismo da quel tipo di densità di energia, le case automobilistiche non hanno avuto altra scelta che costruire corazzate mobili.
Prendi la Porsche Taycan GTS: un capolavoro assoluto in dinamica del telaio, ma a vuoto fa pendere la bilancia a 2.360 kg. La Tesla Model S Plaid pesa 2.178 kg e la minacciosa Lotus Emeya sbatte sulla strada 2.650 kg. Anche con molle ad aria intelligenti e sterzo della ruota posteriore che fanno gli straordinari, non puoi ingannare la fisica per sempre.
Per fortuna, potremmo avere una soluzione all’orizzonte. Un gruppo di ricerca congiunto del Laboratorio Tianmushan e dell'Università Tsinghua ha pubblicato una notizia bomba sottoposta a revisione paritaria su Nature Communications. I ricercatori hanno progettato una cella a sacchetto al litio metallico ad alta stabilità che supera la soglia magica per raggiungere 602,5 Wh/kg. Non si tratta di un miglioramento modesto e frazionario ricavato da modifiche al packaging: si tratta di circa il doppio della densità di energia riscontrata nella stragrande maggioranza delle auto elettriche oggi.
Sostituire il tradizionale anodo di grafite con il litio metallico puro è stato il Santo Graal dei sogni elettrochimici. In teoria, eliminare l'ospite di carbonio pesante fornisce un impulso energetico astronomico. In pratica è un incubo. Spingendo alte tensioni attraverso una cella al litio metallico, l'elettrolita liquido inizia a decomporsi in un fango instabile, con punte microscopiche aghiformi chiamate dendriti di litio che spuntano dall'anodo. Questi viticci cristallini alla fine perforano il separatore, cortocircuitano la cella e ne consegue una fuga termica, trasformando il tuo costoso veicolo elettrico in un falò.
La svolta di Tsinghua e Tianmushan risolve questa instabilità al confine molecolare. Invece di lasciare che la chimica si scatenasse, il team ha progettato un additivo elettrolitico che crea una "struttura di solvatazione con forte coordinazione additiva". Spogliato del gergo del camice da laboratorio, l'additivo si comporta come un paio di microscopici buttafuori.
Sul lato del catodo deposita una pellicola protettiva densa e ultrasottile che protegge il materiale dalla degradazione ad alta tensione. Allo stesso tempo, sull’anodo di litio metallico, crea un forte strato di elettrolita solido che blocca la crescita dei dendriti prima ancora che inizi, accelera il trasferimento degli ioni di litio e risolve i problemi di sicurezza.
I dati del banco di prova costituiscono una lettura interessante. Utilizzando una configurazione di cella a sacca da 10 Ah con un catodo ternario ad alto contenuto di nichel, la cella ha prodotto 550,7 Wh/kg mantenendo l'80% della sua capacità iniziale dopo 180 cicli. Quando i ricercatori hanno accoppiato la loro magia elettrolitica con un catodo a base di manganese ricco di litio, l'energia è balzata a 602,5 Wh/kg, un salto di efficienza di oltre il 50% rispetto alle celle elettriche tradizionali.
Eppure, notate chi ha finanziato e guidato questa ricerca: il Tianmushan Laboratory, un’istituzione focalizzata sull’aeronautica e sull’”economia a bassa quota”. Nonostante tutte le nostre lamentele sulle berline pesanti su strade secondarie tortuose, la vera disperazione per la densità di energia appartiene all’aviazione elettrica. I velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL) e i droni commerciali a lungo raggio non possono ingannare la fisica con barre antirollio più rigide. Quando un aereo esaurisce il suo pacco, non può raggiungere una stazione di servizio; cade semplicemente dal cielo. Trasportare una batteria da 600 kg per trasportare due passeggeri è un vicolo cieco commerciale per la mobilità aerea.
Abbiamo già visto CATL spingersi in questo spazio con batterie a materia condensata che forniscono fino a 350 Wh/kg per applicazioni aeronautiche, sebbene i costi di produzione siano astronomici. CATL ha ventilato teorie sulla chimica dell'aria-litio che sfiora i 12.000 Wh/kg - una cifra che sulla carta corrisponde alla benzina - ma questa è una fantasia lontana. Nel mondo reale, 600 Wh/kg rappresentano il livello di riferimento in base al quale il volo elettrico smette di essere un espediente e diventa una modalità di trasporto praticabile.
Prima di iniziare a immaginare giocattoli da pista leggeri e puramente elettrici che arriveranno negli showroom la prossima estate, è necessaria una grossa dose di realtà. Sopravvivere a 180 cicli di carica con una ritenzione dell'80% in una cella a sacca da laboratorio controllata è un grande traguardo accademico, ma è molto al di sotto di ciò di cui ha bisogno il trasporto su strada.
I produttori di automobili richiedono pacchi batteria in grado di sopportare in sicurezza da 1.000 a 1.500 cicli di ricarica rapida CC abusivi e ad alta potenza senza batter ciglio. La chimica deve sopravvivere a buche, shock termici e anni di abbandono. La diffusione degli additivi elettrolitici fluorurati dai banchi di laboratorio a milioni di celle automobilistiche è un problema industriale che non è stato ancora risolto.
Se mai le batterie al litio-metallo passassero dalle camere bianche alla produzione su larga scala, l’impatto automobilistico potrebbe essere entusiasmante. Immagine che riduce il peso di un pacco batteria da 100 kWh da circa 650 kg a meno di 200 kg. Ciò farebbe rivivere l’era delle auto leggere e ad alte prestazioni: pensa a una XiaomiSU7 Ultra da 1.500 cavalli che pesa 400 kg in meno.
In questo scenario, un’auto sportiva elettrica potrebbe tornare ad una forma compatta e sentire veramente la sua potenza attraverso il telaio, lasciando che i suoi motori elettrici funzionino liberamente senza bruciare le pastiglie dei freni in una manciata di giri intensi. Potremmo finalmente assistere a veicoli elettrici che non fanno affidamento su una potenza a quattro cifre solo per mascherare la loro mole.
