di Federico Fumagalli
Batterie al silicio-carbonio, dai nostri smartphone alle nostre auto. Perché preferirle e perché no?
Le batterie silicio-carbonio rappresentano una delle tecnologie più interessanti per aumentare la densità energetica delle batterie agli ioni di litio. Il principio è relativamente semplice: sostituire, almeno in parte, la grafite utilizzata nell'anodo con il silicio, un materiale capace di immagazzinare una quantità di litio molto maggiore.
La tecnologia sta già trovando applicazione in alcuni dispositivi elettronici, soprattutto negli smartphone prodotti dai marchi cinesi. Alcuni modelli hanno infatti superato i 6.000 mAh mantenendo dimensioni e spessori contenuti, mentre le celle tradizionali basate sulla grafite hanno raggiunto limiti più difficili da superare. Le celle silicio-carbonio commerciali possono arrivare a densità energetiche nell'ordine dei 350-450 Wh/kg, con incrementi significativi rispetto alle soluzioni convenzionali.
Ma se questa tecnologia è già disponibile per gli smartphone, perché non la troviamo ancora in modo diffuso sulle auto elettriche?
Più autonomia senza aumentare le dimensioni della batteria
Il principale vantaggio del silicio-carbonio è la maggiore densità energetica. In ambito automobilistico questo potrebbe tradursi in una batteria con la stessa capacità ma più compatta e leggera, oppure in un pacco batterie della stessa dimensione capace di immagazzinare più energia.
Per un'auto elettrica significa poter aumentare l'autonomia senza necessariamente aumentare peso e ingombri. Un altro possibile vantaggio riguarda la ricarica rapida, grazie alle caratteristiche elettrochimiche dell'anodo in silicio.
In prospettiva, quindi, una batteria silicio-carbonio potrebbe permettere di realizzare auto con maggiore autonomia, oppure modelli più efficienti e leggeri mantenendo la stessa percorrenza.
C'è però un problema fondamentale: il silicio tende a espandersi e contrarsi notevolmente durante i cicli di carica e scarica. L'espansione può arrivare a valori molto elevati (circa 300 volte) e sottopone l'elettrodo a forti stress meccanici. La soluzione consiste nell'utilizzare il silicio insieme a una matrice di carbonio capace di assorbire parte di queste variazioni.
Il vero ostacolo per le auto è la durata, da non confondere con l'autonomia
Ed è proprio questo aspetto a diventare particolarmente importante quando si passa dagli smartphone alle automobili.
Uno smartphone viene generalmente sostituito dopo alcuni anni. Un'automobile, invece, può rimanere in circolazione per dieci, quindici anni o anche più. La batteria deve quindi mantenere prestazioni accettabili per un periodo molto più lungo, affrontando centinaia o migliaia di cicli di ricarica, variazioni di temperatura e condizioni di utilizzo molto differenti.
È questo il motivo per cui il fatto che alcuni produttori cinesi abbiano già introdotto batterie silicio-carbonio negli smartphone non significa automaticamente che la stessa tecnologia sia pronta per essere trasferita sulle auto elettriche.
Nel settore automotive una nuova tecnologia deve essere sottoposta a anni di test di durata, sicurezza e affidabilità, oltre a dover garantire prestazioni prevedibili durante l'intero ciclo di vita del veicolo.
C'è poi un ulteriore elemento: sostituire una batteria automobilistica è un'operazione molto più complessa e costosa rispetto alla sostituzione di uno smartphone. Un eventuale degrado accelerato avrebbe quindi conseguenze economiche decisamente più importanti.
Una tecnologia promettente, ma da introdurre con cautela
Il silicio-carbonio non deve quindi essere considerato come una soluzione miracolosa destinata a sostituire immediatamente tutte le batterie attuali. È piuttosto un'evoluzione dell'attuale tecnologia agli ioni di litio, con un enorme potenziale soprattutto per aumentare la densità energetica.
Per le auto elettriche il vantaggio potrebbe essere particolarmente interessante: più autonomia a parità di peso, batterie più compatte oppure, a parità di autonomia, pacchi più leggeri. Tutti elementi che possono migliorare efficienza e consumi.
D'altra parte, la maggiore complessità dell'anodo e la necessità di controllare l'espansione del silicio rendono fondamentale trovare il giusto compromesso tra densità energetica, potenza, sicurezza e durata nel tempo.
Il confronto con smartphone come iPhone e dispositivi cinesi è quindi utile, ma va interpretato correttamente. Il fatto che una tecnologia sia abbastanza matura per un dispositivo che può essere cambiato dopo tre o quattro anni non significa necessariamente che lo sia per un'automobile progettata per durare oltre un decennio.
Per questo motivo, il passaggio al silicio-carbonio nel settore automotive potrebbe essere più graduale. I primi modelli potrebbero sfruttare percentuali relativamente contenute di silicio, aumentando progressivamente la presenza di questo materiale con il miglioramento della durata delle celle.
Il potenziale è enorme, ma per le auto elettriche la vera sfida non sarà soltanto ottenere più Wh/kg. Sarà riuscire a mantenere quella densità energetica per centinaia di migliaia di chilometri.
Preferireste un'auto elettrica con una batteria al silicio-carbonio più compatta e leggera, oppure una batteria tradizionale più pesante ma con una tecnologia già ampiamente collaudata?
di
Federico Fumagalli
Sono un appassionato di auto sin dal primo GranTurismo del 1996. Ed è proprio il mio amore per le auto che mi ha spinto ad appassionarmi alle auto elettriche. Il mondo cambia, la tecnologia si evolve, e se si rimane indietro spesso è un male. Tecnologia, mobilità e ambiente saranno i temi di cui vi parlerò. Non dovremo essere d’accordo ma almeno ragionarsi su!
