Tesla Battery Day: dalla Gigafactory alle auto elettriche economiche

Vittorio Marangon, Prof. Jusef Hassoun, Università di Ferrara

Elon Musk (CEO di Tesla) e Drew Baglino (vicepresidente) hanno rivelato i prossimi obiettivi della compagnia in occasione del Tesla Battery Day a New York il 22 settembre 2020: Tesla produrrà entro 3 anni una vettura elettrica totalmente auto-assistita al modico prezzo di 25000 dollari, produrrà nella gigafactory batterie con energia complessiva annua di 10 GWh (giga-watt-ora) nel 2022 e 3 TWh (tera-watt-ora) entro il 2030, e ottimizzerà la produzione riducendo del 56% l’attuale costo della batteria in termini di $/kWh (dollari per chilo-watt-ora).

Le ragioni di questi progressi, ha affermato Musk, sono cinque:

La prima ragione è il perfezionamento del design delle singole celle che formano la batteria. Tesla avrebbe infatti trovato il giusto compromesso tra autonomia del veicolo e costo adottando celle cilindriche con dimensioni di 46×80 millimetri (diametro per altezza). Tali misure, che conferiscono il nome di 4680 al nuovo modello di cella, permetterebbero di passare dalla classica configurazione interna con elettrodi avvolti su sé stessi in una spirale cilindrica ad una conformazione dei materiali attivi basata sull’interconnessione di varie “tessere”, e ridurrebbero il percorso degli elettroni fino a 5 volte. Il processo di produzione delle nuove celle è stato tenuto segreto in quanto ancora in via di sviluppo, ma Musk e Baglino hanno specificato che la nuova disposizione incrementerà di 6 volte la potenza e di 5 volte l’energia della batteria, aumentando l’autonomia dell’auto del 16 %.

La seconda ragione della riduzione del costo è l’innovazione dei processi di produzione delle celle. Le ottimizzazioni proposte per aumentare la produttività e limitare costi e impatto ambientale sono state varie, e tra le più importanti troviamo il processo a secco per la fabbricazione degli elettrodi. Nonostante la difficoltà di messa a punto, il processo a secco eviterebbe l’impiego di solventi e di forni industriali, e limiterebbe le strutture produttive. Questo, unito a catene di montaggio e processi di formazione delle batterie più efficienti, porterebbe ad una riduzione dell’investimento in risorse del 75 % e decimerebbe l’impatto ambientale della produzione.

Musk e Baglino hanno proseguito illustrando le innovazioni dal punto di vista dei materiali elettrodici. Per quanto riguarda l’anodo (elettrodo negativoe terza ragione della riduzione dei costi) Tesla punta all’utilizzo del silicio. Il silicio forma leghe ad alta capacità specifica con il litio, ma subisce modifiche strutturali durante i processi di carica e scarica che portano a variazioni volumetriche fino al 400 % nonché al deterioramento e frammentazione delle particelle. Per contrastare queste criticità è possibile ricorrere al confinamento del silicio in strutture vetrose, grafitiche oppure in nano-strutture, che mantengono l’integrità nonostante le variazioni volumetriche. Tali materiali compositi, a seconda della struttura, sono caratterizzati da costi che variano da circa 7 fino ad oltre 100 $/kWh. In questo contesto, l’innovazione di Tesla risiede nel produrre un materiale anodico a base di silicio che coinvolge l’utilizzo di un polimero conduttore di ioni litio e un legante elastico per fornire una superficie stabile e una robusta interconnessione delle particelle. Inoltre, tale processo di sintesi conterrebbe il costo a 1.2 $/kWh e permetterebbe un incremento del 20 % di autonomia del veicolo.

Per ottimizzare il catodo (elettrodo positivo e quarta ragione della diminuzione dei costi) Musk e Baglino hanno puntato a migliorare ulteriormente prestazioni e costi degli elettrodi già utilizzati nei loro veicoli, ossia quelli basati su strutture lamellari di ossidi di litio e altri metalli quali nichel, cobalto, manganese e alluminio. I vantaggi offerti da questi materiali catodici risiedono nella possibilità di scambiare grandi quantità di ioni litio a elevati valori di tensione, con capacità e potenza rilevanti. In particolare, la proposta di Tesla è di aumentare significativamente il contenuto di nichel a discapito del cobalto che ha elevati costi e notevole tossicità. In caso di successo del progetto, si ridurrebbero i costi di produzione dell’elettrodo fino al 15 %, il che verrebbe coadiuvato secondo Musk da un nuovo processo di estrazione del litio attualmente in fase di sviluppo nell’azienda.

In conclusione, Musk e Baglino hanno svelato che la quinta ragione della diminuzione dei costi è rappresentata dalla cosiddetta batteria strutturale. L’ispirazione di quest’innovazione ingegneristica arriva direttamente dalla soluzione adottata negli aerei, in cui i serbatoi di carburante contenuti nelle ali forniscono allo stesso tempo energia e stabilità strutturale. Allo stesso modo, le celle che costituiscono la batteria Tesla verrebbero poste nella parte inferiore del veicolo per fare da ponte tra parte frontale e retro. A questo proposito, Musk ha colto l’occasione per affermare che grazie ad una nuova lega di alluminio sviluppata dalla compagnia, retro e fronte del veicolo saranno costituiti da due pezzi unici uniti dalla batteria strutturale, il che aumenterebbe del 14 % la sua autonomia.

Tesla guarda quindi al futuro con obiettivi precisi che, in caso di effettivo conseguimento, porterebbero ad un’ulteriore affermazione della mobilità sostenibile nel mercato automobilistico. 

Gli sviluppi illustrati da Musk e Baglino sono di deciso interesse, in particolare per quanto riguarda la nuova configurazione di cella a “tessere” anche se, come atteso, poco della tecnologia adottata in merito viene rivelata. Il processo a secco poi è sicuramente un cambio molto significativo che potrebbe influire su costi e tecnologie di fabbricazione, tuttavia richiede ulteriori sforzi di ricerca e sviluppo. Da tempo il silicio viene descritto come l’anodo del futuro, e la sua realizzazione sembra realistica dato che moltissimo è stato fatto in merito, soprattutto dopo la larga diffusione di nanostrutture con materiali a formazione di lega con il litio. I catodi lamellari, soprattutto quelli sostituiti e poveri di cobalto, sono davvero efficienti, versatili e ad alto contenuto di energia. Tuttavia, materiali alternativi come zolfo e ossigeno possono portare a batterie al litio con contenuto di energia ancora più alto e prezzo ridotto, anche se per ora queste sono in buona parte solo prototipi di laboratorio con qualche eccezione per le batterie litio-zolfo.

Non c’è dubbio sul fatto che molti di questi progressi potranno portare ad una riduzione dei costi di batterie e auto elettriche, e a un possibile aumento dell’autonomia per singola carica.