Oxis Energy design promette eccezionale densità di energia, la producibilità e la sicurezza

Gli aerei elettrici sono di gran moda, con prototipi in sviluppo in ogni dimensione, dai droni di consegna agli aerei passeggeri. Ma la tecnologia deve ancora decollare, e per una ragione: la mancanza di una batteria adatta.

Per un grande aereo passeggeri a decollare, crociera, e atterrare centinaia di chilometri di distanza avrebbe preso batterie che pesano migliaia di chilogrammi—troppo pesante per l’aereo per essere in grado di entrare in aria, in primo luogo. Anche per aerei relativamente piccoli, come gli addestratori a due posti, il peso delle batterie limita il carico utile dell’aereo, riduce la sua portata e quindi limita dove l’aereo può volare. Ridurre il peso della batteria sarebbe un vantaggio non solo per l’aviazione, ma per altri veicoli elettrici, come auto, camion, autobus e barche, tutte le cui prestazioni sono anche direttamente legate al rapporto energia-peso delle loro batterie.

Per tali applicazioni, la batteria di oggi di scelta è agli ioni di litio. Ha raggiunto la maturità anni fa, con ogni nuovo miglioramento incrementale inferiore all’ultimo. Abbiamo bisogno di una nuova chimica.

Dal 2004 la mia azienda, Oxis Energy, nell’Oxfordshire, in Inghilterra, ha lavorato su uno dei principali contendenti: lo zolfo al litio. La nostra tecnologia delle batterie è estremamente leggera: i nostri modelli più recenti raggiungono più del doppio della densità di energia tipica delle batterie agli ioni di litio. Lo zolfo al litio è anche in grado di fornire i livelli di potenza e durata necessari per l’aviazione e, cosa più importante, è abbastanza sicuro. Dopo tutto, un aereo non può gestire un incendio improvviso o qualche altra calamità semplicemente tirando al lato della strada.

La nuova tecnologia è stata a lungo a venire, ma l’attesa è ormai finita. La prima serie di prove di volo è già stata completata.

Fondamentalmente, una cella litio-zolfo è composta da quattro componenti:

• L’elettrodo positivo, noto come catodo, assorbe gli elettroni durante la scarica. È collegato ad un collettore di corrente di alluminio rivestito con una miscela di carbonio e zolfo. Lo zolfo è il materiale attivo che partecipa alle reazioni elettrochimiche. Ma è un isolante elettrico, quindi il carbonio, un conduttore, trasporta elettroni dove sono necessari. C’è anche una piccola quantità di legante aggiunto per garantire il carbonio e zolfo tenere insieme nel catodo.
• L’elettrodo negativo, o anodo, rilascia elettroni durante la scarica. È collegato alla lamina di litio pura. Anche il litio funge da collettore di corrente, ma è anche un materiale attivo, che prende parte alla reazione elettrochimica.
• Un separatore poroso impedisce ai due elettrodi di toccare e causare un cortocircuito. Il separatore è immerso in un elettrolita contenente sali di litio.
• Un elettrolita facilita la reazione elettrochimica consentendo il movimento di ioni tra i due elettrodi.

Questi componenti sono collegati e confezionati in un foglio come una cella a sacchetto. Le celle sono a loro volta collegate tra loro—sia in serie che in parallelo—e confezionate in un pacco batteria da 20 ampere-ora e 2,15 volt. Per un veicolo di grandi dimensioni come un aereo, decine di pacchetti sono collegati per creare una batteria in grado di fornire decine o centinaia di amp-ore a diverse centinaia di volt.

Le batterie al litio-zolfo sono insolite perché attraversano più fasi mentre si scaricano, formando ogni volta una specie molecolare diversa e distinta di litio e zolfo. Quando una cellula scarica, gli ioni di litio nell’elettrolita migrano verso il catodo, dove si combinano con zolfo ed elettroni per formare un polisolfuro, Li2S8. All’anodo, nel frattempo, le molecole di litio rinunciano agli elettroni per formare ioni di litio caricati positivamente; questi elettroni liberati si muovono quindi attraverso il circuito esterno—il carico—che li riporta al catodo. Nell’elettrolita, il Li2S8 appena prodotto reagisce immediatamente con più ioni di litio e più elettroni per formare un nuovo polisolfuro, Li2S6. Il processo continua, passando attraverso ulteriori polisolfuri, Li2S4 e Li2S2, per diventare infine Li2S. Ad ogni passo viene data più energia e passata al carico fino a quando finalmente la cella è esaurita di energia.

La ricarica inverte la sequenza: una corrente applicata costringe gli elettroni a fluire nella direzione opposta, causando l’elettrodo di zolfo, o catodo, a rinunciare agli elettroni, convertendo Li2S in Li2S2. Il polisolfuro continua ad aggiungere atomi di zolfo passo dopo passo fino a quando Li2S8 non viene creato nel catodo. E ogni volta che gli elettroni vengono abbandonati, vengono prodotti ioni di litio che poi si diffondono attraverso l’elettrolita, combinandosi con gli elettroni all’elettrodo di litio per formare il metallo di litio. Quando tutti i Li2S è stato convertito in Li2S8, la cella è completamente carica.

Questa descrizione è semplificata. In realtà, le reazioni sono più complesse e numerose, che avvengono anche nell’elettrolito e all’anodo. Infatti, su molti cicli di carica e scarica, sono queste reazioni collaterali che causano la degradazione in una cellula di litio-zolfo. Minimizzare questi, attraverso la selezione dei materiali appropriati e la configurazione delle cellule, è la sfida fondamentale, sottostante che deve essere soddisfatta per produrre una cella efficiente con una lunga durata.

Con le cellule litio-zolfo, anche la degradazione dell’anodo litio-metallo è un problema. Tuttavia, questo avviene attraverso un meccanismo molto diverso, uno che non comporta la formazione di dendriti. Nelle celle al litio-zolfo, densità di corrente non uniforme sulla superficie dell’anodo fanno sì che il litio venga placcato e spogliato in modo non uniforme mentre la batteria viene caricata e scaricata. Nel corso del tempo, questa placcatura irregolare e stripping provoca depositi mosslike sull’anodo che reagiscono con il solfuro e polisolfuri nell’elettrolita. Questi depositi mosslike diventano elettricamente scollegato dalla massa anodo, lasciando meno della superficie anodo disponibile per reazione chimica. Alla fine, mentre questa degradazione progredisce, l’anodo non riesce a funzionare, impedendo alla cella di accettare la carica.

Lo sviluppo di soluzioni a questo problema di degradazione è fondamentale per produrre una cella in grado di eseguire ad un livello elevato su molti cicli di carica-scarica. Una strategia promettente che abbiamo perseguito in Oxis prevede il rivestimento dell’anodo litio-metallo con sottili strati di materiali ceramici per prevenire il degrado. Tali materiali ceramici devono avere un’elevata conduttività ionica ed essere elettricamente isolanti, oltre che meccanicamente e chimicamente robusti. Gli strati ceramici consentono agli ioni di litio di passare senza ostacoli e di essere incorporati nel metallo di litio sottostante.

Stiamo facendo questo lavoro sullo strato di protezione per l’anodo in collaborazione con Pulsedeon e Leitat, e siamo ottimisti sul fatto che aumenterà drasticamente il numero di volte in cui una cella può essere scaricata e caricata. E non e ‘ la nostra unica collaborazione. Stiamo anche lavorando con Arkema per migliorare il catodo al fine di aumentare la potenza e la densità di energia della batteria.

In effetti, il vantaggio chiave delle batterie agli ioni di litio rispetto ai loro predecessori-e dello zolfo del litio rispetto agli ioni di litio—è la grande quantità di energia che le cellule possono confezionare in una piccola quantità di massa. La batteria di avviamento al piombo che aziona il motore a combustione interna in un’auto può immagazzinare circa 50 watt-ora per chilogrammo. I tipici design agli ioni di litio possono contenere da 100 a 265 Wh/kg, a seconda delle altre caratteristiche prestazionali per le quali è stato ottimizzato, come la potenza di picco o la lunga durata. Oxis ha recentemente sviluppato un prototipo di cella a sacco litio-zolfo che si è dimostrata capace di 470 Wh / kg e ci aspettiamo di raggiungere 500 Wh/kg entro un anno. E poiché la tecnologia è ancora nuova e ha margini di miglioramento, non è irragionevole anticipare 600 Wh/kg entro il 2025.

Quando i produttori di celle citano dati di densità di energia, di solito specificano l’energia disponibile quando la cella viene scaricata a tassi di potenza costanti e bassi. In alcune applicazioni tali tassi bassi vanno bene, ma per i molti aerei elettrici previsti che decolleranno verticalmente, l’energia deve essere erogata a tassi di potenza più elevati. Tale caratteristica ad alta potenza deve essere scambiata con una minore capacità totale di accumulo di energia.

Inoltre, il livello di densità di energia ottenibile in una singola cella potrebbe essere notevolmente maggiore di quello che è possibile in una batteria composta da molte di queste celle. La densità di energia non si traduce direttamente dalla cella alla batteria perché le celle richiedono l’imballaggio—il caso, il sistema di gestione della batteria, le connessioni e forse i sistemi di raffreddamento. Il peso deve essere tenuto sotto controllo, e per questo motivo la nostra azienda utilizza materiali compositi avanzati per sviluppare custodie leggere, resistenti e ignifughe.

Per ottimizzare le prestazioni della batteria senza compromettere la sicurezza, ci affidiamo innanzitutto a un Battery Management system (BMS), che è una combinazione di software e hardware che controlla e protegge la batteria. Include anche algoritmi per misurare l’energia rimanente in una batteria e altri per ridurre al minimo l’energia sprecata durante la ricarica.

Come le celle agli ioni di litio, le celle al litio-zolfo variano leggermente l’una dall’altra. Queste differenze, così come le differenze nella posizione delle cellule nel pacco batteria, possono causare alcune cellule a funzionare costantemente più caldo di altri. Nel corso del tempo, quelle alte temperature degradano lentamente le prestazioni, quindi è importante ridurre al minimo le differenze di potenza da cella a cella. Questo di solito è ottenuto utilizzando una semplice soluzione di bilanciamento, in cui diversi resistori sono collegati in parallelo con una cella, tutti controllati dal software nel BMS.

Anche quando i tassi di carica e scarica sono tenuti entro limiti di sicurezza, qualsiasi batteria può ancora generare calore eccessivo. Quindi, in genere, è necessario un sistema di gestione termica dedicato. Un’auto elettrica può utilizzare il raffreddamento a liquido, ma nell’aviazione, il raffreddamento ad aria è molto preferito perché aggiunge meno peso. Naturalmente, la batteria può essere posizionata in un punto in cui l’aria si muove naturalmente attraverso la superficie dell’aereo—forse l’ala. Se necessario, l’aria può essere deviata alla batteria attraverso i condotti. A Oxis, stiamo usando la modellazione computazionale per ottimizzare tale raffreddamento. Ad esempio, quando abbiamo introdotto questa tecnica in un progetto per un piccolo velivolo ad ala fissa, ci ha permesso di progettare un efficace sistema di gestione termica, senza il quale la batteria avrebbe raggiunto i suoi limiti di temperatura prima che fosse completamente scarica.

Come notato sopra, un pacco batteria è tipicamente organizzato con le celle sia in parallelo che in serie. Tuttavia, c’è di più nella disposizione delle celle. Naturalmente, la batteria è un componente mission-critical di un e-plane, quindi ti consigliamo la ridondanza, per una maggiore sicurezza. Potresti, ad esempio, progettare la batteria in due parti uguali, in modo che se una metà fallisce possa essere scollegata, lasciando all’aereo almeno abbastanza energia per gestire una discesa e un atterraggio controllati.

Un altro componente software all’interno del BMS è l’algoritmo di stato di carica. Immaginate di dover guidare una macchina il cui indicatore del carburante ha avuto un errore di misura equivalente al 25 per cento della capacità del serbatoio. Non avresti mai lasciato che l’indicatore scendesse al 25 percento, solo per assicurarti che l’auto non si fermasse. La tua portata pratica sarebbe solo tre quarti della portata effettiva dell’auto. Per evitare tali sprechi, Oxis ha posto una grande enfasi sullo sviluppo di algoritmi di stato di carica.

In una batteria agli ioni di litio è possibile stimare la carica semplicemente misurando la tensione, che cade come il livello di energia fa. Ma non è così semplice per una batteria al litio-zolfo. Ricordiamo che nella batteria al litio-zolfo, diversi polisolfuri figurano nel processo elettrochimico in momenti diversi durante la carica e lo scarico. Il risultato è che la tensione non è un buon proxy per lo stato di carica e, per rendere le cose ancora più complicate, la curva di tensione è asimmetrica per la carica e per lo scarico. Quindi gli algoritmi necessari per tenere traccia dello stato di carica sono molto più sofisticati. Abbiamo sviluppato il nostro con la Cranfield University, in Inghilterra, usando tecniche statistiche, tra cui il filtro di Kalman, così come le reti neurali. Siamo in grado di stimare lo stato di carica ad una precisione di pochi per cento, e stiamo lavorando per fare ancora meglio.

Tutte queste scelte progettuali comportano compromessi, che sono diversi per i diversi aerei. Variiamo il modo in cui gestiamo questi compromessi al fine di personalizzare i nostri progetti di batterie per tre tipi distinti di aeromobili.

• Gli pseudo satelliti ad alta quota (HAP) sono aerei che volano a circa 15.000-20.000 metri. La speranza è di poter volare per mesi alla volta; il record attuale è di 26 giorni, fissato nel 2018 dall’Airbus Zephyr S. Di giorno, questi aerei utilizzano pannelli solari per alimentare i motori e caricare le batterie; di notte, volano a batteria. Poiché il periodo di carica e scarica di 24 ore richiede solo un po ‘ di energia, è possibile progettare una batteria leggera e quindi consentire un grande carico utile. La leggerezza rende anche più facile per un aereo del genere volare lontano dall’equatore, dove la notte dura più a lungo.
• Gli aerei elettrici di decollo e atterraggio verticale (eVTOL) sono in fase di sviluppo come taxi volanti. Lilium, in Germania, e Uber Elevate, tra gli altri, hanno già tali progetti in corso. Ancora una volta, il peso è fondamentale, ma qui le batterie non devono essere solo leggere ma devono anche essere potenti. Oxis ha quindi sviluppato due versioni della sua chimica cellulare. La versione ad alta energia è ottimizzata in molti aspetti del design delle celle per ridurre al minimo il peso, ma è limitata a una potenza relativamente bassa; è più adatta alle applicazioni HAPS. La versione ad alta potenza pesa di più, anche se ancora significativamente meno di una batteria agli ioni di litio di prestazioni comparabili; è adatto per applicazioni come eVTOL.
• Aerei leggeri ad ala fissa: la crescente domanda di piloti si scontra con l’alto costo della loro formazione; un aereo da addestramento completamente elettrico ridurrebbe drasticamente i costi operativi. Un fattore chiave è la durata del volo più lunga, che è abilitata dalla batteria più leggera. Bye Aerospace, in Colorado, è una società all’avanguardia in tali aeromobili. Inoltre, altre società, come easyJet, in partnership con Wright Electric, stanno pianificando jet passeggeri commerciali completamente elettrici per voli a corto raggio di 2 ore.