Le EV per climi freddi potrebbero diventare un’opzione di veicolo?

Rallentamento del tasso di adozione delle EV

L’elettrificazione è una tendenza che sta conquistando il mondo. Questo vale per le EV, così come per il riscaldamento e i processi industriali. Tuttavia, non è ancora tutto perfetto, poiché le tradizionali batterie al litio subiscono un forte calo di prestazioni a temperature fredde. Pertanto, mentre non è realmente un problema in California o in Cina, due aree di forte adozione delle EV, può diventare serio nelle latitudini settentrionali.

Nonostante queste limitazioni, osserviamo che i tassi di adozione delle EV sono elevati in paesi come la Norvegia (72% EV e 14% ibridi), indicando una forte disponibilità della popolazione a passare alle EV.

Fonte: Roland Berger

Tuttavia, il caso dei vicini della Norvegia potrebbe indicare che, senza sussidi massicci simili a quelli norvegesi, l’adozione potrebbe stabilizzarsi al di sotto del 50% nella regione.

Se i sistemi di batterie migliorassero le prestazioni al freddo, la regione e altri paesi simili potrebbero diventare tra i primi a raggiungere il 100% di BEV (Battery Electric Vehicles).

Finora, la principale speranza di migliorare le prestazioni a basse temperature si basava sulle batterie al sodio, soprattutto grazie ai solidi progressi della società cinese CATL (segui il collegamento per il relativo rapporto). Ma un nuovo concetto potrebbe aprire la strada a batterie al litio specificamente adattate alle condizioni di freddo.

È stata studiata da ricercatori cinesi dell’Università Donghua (Cina), dell’Università Fudan, dell’Università di Qingdao e dell’Università della Mongolia Interna. Hanno recentemente pubblicato il loro risultato su Angewandte Chemie con il titolo “Comportamento di espansione termica negativa che consente buone prestazioni di immagazzinamento elettrochimico-energetico a basse temperature¹”.

Problemi delle batterie al litio con il freddo

Le batterie al litio sono ancora la forma più potente e ad alta densità energetica di batterie disponibili oggi nella scala richiesta per le EV. Questo potrebbe cambiare in futuro con le batterie allo stato solido. Oppure forse batterie al litio migliorate, come le batterie a nido d’ape saranno efficienti quanto le tecnologie allo stato solido.

Ma in entrambi i casi, il problema delle prestazioni in condizioni di freddo persiste. Il motivo è che il clima freddo, soprattutto a temperature sotto lo zero, rallenta la diffusione degli ioni litio all’interno del materiale dell’elettrodo. Per ora, questo è stato considerato un limite fondamentale della tecnologia, determinato dalla fisica di come le batterie al litio reagiscono a temperature fredde.

Le uniche alternative nelle EV sono state utilizzare l’energia della batteria per riscaldarla (consumando energia) o installare pacchi batteria sufficientemente grandi affinché la perdita di autonomia sia accettabile per l’utente. Almeno fino ad ora.

Elettrodi a espansione termica negativa (NTE)

Il concetto chiave utilizzato dai ricercatori è quello di impiegare una caratteristica chiamata espansione termica negativa per il materiale dell’elettrodo, o NTE. Si tratta di materiali che si espandono quando si raffreddano, andando nella direzione opposta alla maggior parte dei materiali, specialmente i metalli.

Un esempio nella vita quotidiana è l’acqua, che si espande quando congela, rendendo il ghiaccio meno denso dell’acqua liquida.

I test sono stati condotti utilizzando fosfato di litio titanio LiTi2(PO4)3, o “LTP”.

LTP

Questo materiale è costituito da una struttura cristallina che forma una rete 3D di ottaedri TiO6 e tetraedri PO4. Ciò crea una struttura aperta e flessibile che contiene sia “cavità” sia “canali”, dove gli ioni litio possono alloggiare.

Fonte: Angewandte Chemie

Quando raffreddata, la struttura cristallina si allunga lungo uno dei suoi assi cristallini. Ciò aumenta le distanze tra gli atomi di ossigeno, ampliando le cavità nella rete.

Lo spazio più ampio nei cristalli freddi facilita l’immagazzinamento e il trasporto degli ioni litio.

Prestazioni elevate al freddo

L’aumento delle dimensioni delle cavità non annulla completamente la minore mobilità degli ioni litio, ma aiuta molto. I ricercatori hanno scoperto che a −10 °C, il tasso di diffusione degli ioni litio era ancora all’84 % del valore ottenuto a 25 °C. Hanno anche testato quanto fosse efficiente e stabile una batteria di questo tipo.

Electrochemical tests on carbon-coated LTP at −10 °C showed good electrochemical performance with high capacity and a high rate capability. The battery durability was also high, with no significant degradation of retention capacity over 1000 charge/discharge cycles (96.8 % capacity retention).

Applicazioni future

Questo nuovo tipo di elettrodo dovrà essere studiato per il suo potenziale nelle EV progettate appositamente per climi freddi.

Probabilmente sarà un requisito per le EV che devono operare in regioni con inverni rigidi, come Canada, Scandinavia, Russia, zone montuose, ecc. Almeno per diventare lo standard, e non solo un’opzione secondaria per i conducenti più abbienti.

È anche possibile che esistano altri materiali elettrodali a espansione termica negativa che mostrino proprietà elettrochimiche ancora migliori. Quindi, molto probabilmente, saranno necessarie ulteriori ricerche per trovare il materiale elettrodale ideale per il freddo.

A lungo termine, tale tecnologia potrebbe avere importanti applicazioni nell’esplorazione spaziale, con veicoli e sistemi di accumulo energetico operanti in orbita, sulla Luna o su Marte, che probabilmente richiederanno elevate prestazioni anche in ambienti estremamente freddi.

Investire in tecnologie avanzate per le batterie

Le batterie sono al centro della tendenza dell’elettrificazione, un’impresa multimiliardaria che mira a eliminare i combustibili fossili dalle nostre fonti di energia.

Puoi investire in società legate alle batterie tramite molti broker, e qui, su securities.io, trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi.

Se non sei interessato a selezionare società specifiche di batterie, puoi anche considerare gli ETF sulle batterie come Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), l’ETF di Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT), o il WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), che offrirà un’esposizione più diversificata per capitalizzare sull’industria delle batterie in crescita.

CATL (300750.SZ)

Come discusso, CATL è un leader tecnologico con batterie al litio a nido d’ape avanzate e progetti di batterie al sodio.

L’azienda è il leader globale nella produzione di batterie, realizzando più della metà del volume mondiale di batterie. È presente in ogni fase della catena di approvvigionamento della produzione di batterie.

Ciò è vero per le batterie al litio, dove l’azienda è da tempo un leader consolidato. È anche forte nelle batterie LFP (litio-ferro-fosfato), con il recente design migliorato che può aggiungere 600 km di autonomia in soli 10 minuti. In totale l’autonomia di guida potrebbe superare i 1.000 km (600 miglia), eliminando completamente l’“ansia dell’autonomia” per i futuri proprietari di EV.

Parallelamente, CATL ha anche annunciato in passato notevoli progressi su molti tipi di batterie:

• Una batteria ultra‑lunga durata da 12.000 cicli per lo stoccaggio di energia su scala utility, con 18.000 cicli come obiettivo a lungo termine.
• Una batteria con una densità energetica di 500 Wh/kg, potenzialmente in grado di consentire l’elettrificazione degli aerei passeggeri
• Produzione di massa di batterie al sodio da 160 Wh/kg, con un obiettivo di 200 Wh/kg.

Fonte: CATL

CATL ha investito 3,25 Mrd in capacità di riciclo di batterie in Cina. Ha raggiunto una notevole percentuale di recupero del 99,6 % per nichel, cobalto, manganese e 91 % per litio.

Grazie alla sua scala, focus e risultati di R&D, è probabile che CATL sia in prima linea nell’innovazione, produzione e riciclo delle batterie.

Ciò lo rende un partner chiave per i produttori di EV, inclusi Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis, ecc., con Hyundai recentemente aggiunto alla crescente lista di alleanze strategiche di CATL.

Inoltre, le lezioni apprese in una chimica possono essere applicabili in un’altra. Quindi la scoperta discussa in questo articolo potrebbe essere l’origine di combinazioni sorprendenti, ad esempio, possiamo immaginare alcune nuove idee:

• Elettrodo a espansione termica negativa costruito con una struttura a nido d’ape.
• Applicare l’espansione termica negativa alla tecnologia delle batterie al sodio per creare la batteria definitiva resistente al freddo.
• Utilizzare l’espansione termica negativa nelle batterie ultra‑stabili su scala utility di CATL, conquistando il mercato della rete elettrica dei paesi freddi.

Le economie di scala derivanti dal produrre già metà delle batterie mondiali sono probabilmente applicabili all’intera azienda, indipendentemente dalla tecnologia specifica utilizzata in un singolo prodotto.

Quindi, più si progredisce nella tecnologia delle batterie in generale, più è probabile che CATL possa integrarla nei suoi design esistenti, creando una domanda maggiore, che a sua volta aumenta ulteriormente le economie di scala, in un ciclo di retroazione positivo.

Infine, gli investitori dovrebbero essere consapevoli della crescente frattura tra USA e Cina, con CATL potenzialmente vittima collaterale. È stata aggiunta alla lista delle Chinese Military Company (CMC) del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti.

CATL ha dichiarato in una comunicazione di non aver mai intrapreso attività o affari legati al settore militare, e che la sua aggiunta alla lista CMC è stata “un errore”.

L’azienda ha osservato di non prevedere alcun impatto sostanzialmente negativo sul proprio business, e che sta collaborando con il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per affrontare la situazione, anche tramite azioni legali se necessario.

Fast Market

Questa determinazione non impone sanzioni immediate a CATL o ad altre aziende nella lista, ma potrebbe comunque influenzare il prezzo delle azioni e le future esportazioni di CATL verso i mercati occidentali.

(Puoi anche leggere il nostro rapporto più lungo di settembre 2024, interamente dedicato a CATL, per un’analisi più approfondita della storia e della tecnologia dell’azienda).

Riferimento allo studio:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Comportamento di espansione termica negativa che consente buone prestazioni di immagazzinamento elettrochimico-energetico a basse temperature. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}