Come gli sviluppi scientifici e tecnologici potrebbero portare il silicio

Jun 20, 2023

Sila Nanotechnologies è uno sviluppatore di materiali per batterie la cui tecnologia innovativa, denominata “Titan Silicon”, è un anodo di silicio nanocomposito (NCS).

I materiali dell'azienda migliorano le prestazioni delle batterie nei dispositivi elettronici di consumo e sono destinati ad alimentare veicoli elettrici (EV), a partire dalla serie Mercedes-Benz Classe G.

In un'intervista con Fastmarkets, Yushin ha approfondito gli sviluppi che hanno reso possibile la fattibilità dell'NCS dell'azienda per gli anodi a predominanza di silicio e ciò che il materiale offre ai produttori di veicoli elettrici e batterie.

Yushin ritiene che la tecnologia potrebbe contribuire ad alleviare la ristrettezza dell’offerta e la disparità geografica nella produzione di un’altra materia prima fondamentale per le batterie (BRM): la grafite.

A differenza della maggior parte della grafite mondiale, la NCS della Sila è prodotta negli Stati Uniti, il che significa che è in linea con il rinnovato slancio occidentale per proteggere le catene di approvvigionamento di più materie prime, in particolare quelle fondamentali per la transizione energetica.

Sebbene il silicio e i suoi composti siano stati precedentemente utilizzati in quantità limitate negli anodi, sono gli sviluppi più recenti che hanno consentito di utilizzare il materiale in concentrazioni più elevate negli anodi, superando in particolare le sfide legate al degrado delle batterie.

Offrendo una capacità maggiore rispetto alla grafite utilizzata tradizionalmente, gli elettrodi basati su NCS sono più sottili, riducendo la distanza di diffusione degli ioni di litio e contribuendo a ottenere vantaggi in termini di costi, ha spiegato Yushin.

La tecnologia offre anche una maggiore densità di energia (Titan Silicon aumenta la densità di energia fino al 40%) e una ricarica più rapida rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio (LIB) a base di grafite, ha affermato.

Yushin ha calcolato che, al limite, il costo dei LIB con anodi di grafite rimarrà intorno ai 100 dollari/kWh a livello di pacchetto.

Gli anodi e i catodi NCS di prossima generazione di Sila, ha affermato Yushin, “contribuiranno a ridurre i costi dei pacchetti LIB fino a 50 dollari/kWh, rendendoli una tecnologia adatta per alimentare il mercato in forte espansione dei veicoli elettrici”.

Il team di modellazione dei costi delle celle di Fastmarkets stima che l'anodo in genere rappresenta il 10-15% del costo totale di una tipica cella al nichel-cobalto-manganese (NCM), mentre il catodo contribuisce per il 50-60%.

“Mentre i miglioramenti all’anodo sono importanti per la ricarica rapida, la durata e le prestazioni generali, sono i progressi sul lato del catodo (oltre alla riduzione dei prezzi delle materie prime del catodo) che ridurranno davvero il costo complessivo delle celle. Anche il miglioramento dei processi produttivi e la riduzione al minimo degli sprechi nelle gigafabbriche svolgeranno un ruolo importante”, ha affermato Muthu Krishna, modellatore dei costi delle celle di Fastmarkets.

"La densità di energia della cella dipende sia dall'anodo che dal catodo, soprattutto dalle loro capacità e dai loro potenziali elettrochimici", ha detto Yushin.

“L’NCS ad altissima capacità, in combinazione con i catodi di prossima generazione, consentirà un aumento di due volte della densità di energia… Ciò significa che sarebbe necessario il 50% in meno di celle affinché il pacco LIB offra all’incirca la stessa energia”, ha affermato.

Secondo Yushin, anche le dimensioni e il prezzo di un pacchetto LIB sarebbero inferiori di circa il 50%.

“Si noti che gli stessi catodi di nuova generazione non possono offrire importanti miglioramenti delle prestazioni se accoppiati con anodi di grafite”, ha affermato.

Questi sviluppi hanno portato a un cambiamento importante nel modo in cui vengono percepiti gli anodi a base di silicio.

"Un decennio fa, a causa delle difficoltà scientifiche e tecnologiche nel superare numerose sfide tecniche, la maggior parte delle persone del settore non credeva che gli anodi di silicio potessero diventare presto realtà", ha detto Yushin.

“La domanda principale che sentiamo ora è quanto velocemente possiamo aumentare la produzione di Titan Silicon per soddisfare le richieste a livello di TWh”, ha aggiunto.

Negli ultimi anni, alcune aziende leader nel settore delle batterie hanno iniziato a introdurre piccole quantità di materiale di ossido di silicio prodotto in Giappone o Cina negli anodi di grafite per migliorare leggermente la densità o la velocità di energia LIB evitando un degrado eccessivo.

Tuttavia, l’idea di anodi a predominanza di silicio era fuori discussione, ha detto Yushin.

"Ora, Titan Silicon può essere utilizzato in eccesso [50% in peso], o sostituire completamente la grafite negli anodi", ha affermato.