Progettare una Batteria Migliore – Via il Cobalto e Dentro…TAQ?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently sviluppato a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

L’Importanza delle Batterie

With the rise of EVs (Electric Vehicles) – largely thanks to American Tesla (TSLA ) and Chinese BYD and CATL – battery technology has become more important than ever as they are relevant not only for electronics, but also for mobility. And soon for the electric grid as well, in order to balance out the intermittency of renewable energies like wind and solar.

Vendite globali di EV – Fonte: IEA

Fino ad oggi, la chimica dominante per le batterie è la tecnologia al litio‑ione. Questo perché queste batterie sono tra le più dense energeticamente disponibili quando misurate in kW/kg. Questa metrica è di gran lunga la più importante nelle applicazioni di mobilità, poiché ogni chilogrammo extra di batteria comporta la necessità di più batteria e/o una minore autonomia.

Quindi, poiché i veicoli elettrici si sono dimostrati la probabile tecnologia chiave del futuro per le automobili (e forse anche per camion e aerei), è stato compiuto un notevole sforzo per migliorare la tecnologia delle batterie.

Abbandonare il Litio‑Ione?

Sebbene altamente densa, la tecnologia tradizionale al litio‑ione non è priva di difetti. Esiste un elenco di problemi da risolvere:

• La densità è ancora piuttosto bassa rispetto ai carburanti liquidi come benzina e diesel, causando ansia da autonomia.
• La ricarica può essere piuttosto lenta, il che rappresenta un problema per molti conducenti e applicazioni commerciali.
• Le batterie sono costose, in gran parte a causa della necessità di minerali costosi.
  • Ciò ha fatto sì che i veicoli elettrici fossero inizialmente più un bene di lusso che un bene di consumo normale.
  • L’estrazione di questi minerali è raramente rispettosa dell’ambiente e spesso è accompagnata da condizioni di lavoro spaventose e dallo sfruttamento di lavoratori poveri o bambini nelle miniere, specialmente nel caso del cobalto in Congo.

Di conseguenza, sono state considerate numerose chimiche alternative. Questo include, ma non è limitato a,

• LFP (Litio‑Ferro/Fosfato di ferro)
• sodio‑ione
• batterie allo stato solido
• litio‑zolfo
• grafene
• batterie di vetro

L’ossidazione dell’alluminio è stata persino discussa come alternativa alle batterie. Tuttavia, tutte queste alternative hanno le loro limitazioni. Questo può includere una durata più breve, difficoltà di produzione, ecc.

(Abbiamo discusso in dettaglio i vantaggi e le limitazioni di ciascuna di queste tecnologie nel nostro articolo “Il Futuro della Mobilità – Tecnologia delle Batterie”).

Le più promettenti, come le batterie allo stato solido, sono ancora a uno stadio sperimentale, e quelle pronte per la commercializzazione, come LFP e sodio‑ione, soffrono di una densità energetica inferiore rispetto al litio‑ione.

Probabilmente esiste un mercato per queste batterie a bassa densità, poiché sono anche molto più economiche da produrre. La società cinese CATL (300750.SZ), che produce più della metà delle batterie del pianeta, è tra i leader in questo settore. Abbiamo discusso i principali produttori di batterie nel nostro articolo “Top 10 Battery Stocks To Invest In”.

Tuttavia, in definitiva, il veicolo elettrico ideale dovrebbe avere una batteria economica E potente. Questa combinazione sarà probabilmente necessaria per sostituire completamente il motore a combustione, soprattutto per le applicazioni commerciali.

Il Problema del Catodo al Litio‑Ione

La maggior parte delle limitazioni del litio‑ione deriva dalle proprietà chimiche e fisiche della parte catodica della batteria. È il catodo che tipicamente richiede cobalto e, anche nelle potenziali alternative senza cobalto, si basa fortemente su altri metalli costosi come nichel e magnesio.

(I metalli richiesti per la transizione verso i veicoli elettrici e le energie rinnovabili sono stati discussi più approfonditamente nel nostro articolo “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”)

Questi metalli devono essere estratti, causano inquinamento e le condizioni di lavoro sono spesso terribili. Sono anche tossici, rendendo il riciclo delle batterie un compito più complicato.

Fonte: Visual Capitalist

I ricercatori hanno esaminato alternative a base di carbonio, o i cosiddetti catodi organici. Finora, questo è stato piuttosto infruttuoso, poiché i catodi organici sono stati o troppo a bassa densità energetica o non sufficientemente durevoli per l’uso nel contesto dei frequenti cicli di carica‑scarica dei veicoli elettrici.

Questo potrebbe essere cambiato, grazie alla suddetta scoperta dei ricercatori del MIT.

Un Nuovo Tipo di Catodo Organico

Prof. Mircea Dincă, che lavora presso la W.M. Keck Professor of Energy al MIT, ha recentemente esplorato nuovi composti organici precedentemente non testati per applicazioni di catodo. Invece dei composti organosolfurici e carbonilici precedentemente esplorati, ha studiato un composto chiamato TAQ (bis-tetraaminobenzochina). Il suo team aveva precedentemente dimostrato il potenziale di questo prodotto chimico come materiale per supercondensatori.

TAQ ha un grande potenziale per l’uso nelle batterie, poiché forma “strutture solide stratificate che possono potenzialmente competere con le prestazioni dei catodi tradizionali a base di cobalto.”

Di per sé, ciò non sarebbe stato sufficiente. I ricercatori del MIT hanno anche scoperto come migliorare l’adesione di TAQ al collettore di corrente in acciaio inossidabile del catodo, migliorando la stabilità del nuovo prototipo di catodo proof‑of‑concept.

Aggiungendo materiali contenenti cellulosa e gomma al TAQ, hanno raggiunto in sicurezza più di 2.000 cicli di carica‑scarica. La densità energetica era anche più alta rispetto ai catodi a base di cobalto, e la ricarica richiedeva meno di 6 minuti.

Cosa ci aspetta?

Questo è, per ora, un prototipo di laboratorio, e sarà necessario ulteriore lavoro per scalarlo alle dimensioni di un pacco batteria EV completo — e ulteriori sforzi per capire come realizzare un processo di produzione su scala per questa nuova chimica delle batterie.

Tuttavia, questa è una delle prime volte che un catodo organico ha superato i progetti al litio‑ione a base di cobalto in ogni metrica importante: densità energetica, costo dei materiali e velocità di ricarica.

Ciò dimostra che la chimica al litio‑ione potrebbe rimanere la chimica di batteria dominante, finché riuscirà a risolvere la sua dipendenza da metalli che causano problemi etici e ambientali.

Un altro aspetto dimostrato dalla ricerca del Prof. Dincă è che i catodi organici hanno un grande potenziale, con potenzialmente migliaia di altri composti organici ancora non testati per questa applicazione. Quindi, anche se TAQ dovesse risultare insufficiente a sostituire cobalto e nichel, altri prodotti chimici simili a TAQ potrebbero riuscirci.

I progetti al litio‑ione beneficiano anche di una massiccia catena di fornitura e base produttiva preesistente. E sarebbe molto più semplice cambiare solo il catodo piuttosto che ricostruire le fabbriche di batterie da zero per accogliere nuove chimiche. Pertanto, migliorare il litio‑ione potrebbe avere molto senso dal punto di vista commerciale.

Vale anche la pena notare che i catodi organici sono stati discussi anche per altri tipi di batterie, ad esempio per ioni di alluminio, ioni sodio/potassio, zinco, o batterie dual‑ion a base di calcio. Pertanto, è possibile che la scoperta delle proprietà di TAQ possa essere applicata ad altri tipi di batterie oltre al litio‑ione.

In ogni caso, i componenti organici nelle batterie le renderanno più facili da riciclare, una questione (e opportunità di investimento) che abbiamo esplorato in profondità nel nostro articolo “Affrontare il Dilemma del Li‑ion: Smaltire le Celle di Batteria Difettose in un Mondo Sempre più Elettrificato”.

Aziende di Catodi Organici

Volkswagen AG

La ricerca del Prof. Mircea Dincă è stata finanziata da Automobili Lamborghini S.p.A., una controllata di Audi, appartenente al gruppo Volkswagen. È già stata presentata una domanda di brevetto per la tecnologia del catodo organico.

Il costruttore tedesco è il secondo produttore di auto più grande al mondo, dietro solo a Toyota. L’azienda è stata, per un periodo, indietro nella tecnologia EV ma ha lavorato duramente per recuperare, in particolare con la serie di auto ID e diversi modelli ibridi.

Fonte: Volkswagen

Entro il 2033, il Volkswagen Group prevede di produrre solo EV in Europa.

• Una partnership con Renault per un EV da 20.000 euro.
• Un investimento da 700 milioni di dollari in Xpeng cinese per potenziare le vendite di EV in Cina.
• Una partnership con SAIC Motor cinese per fornire piattaforme EV a Volkswagen.
• Una partnership con Jetta Motor per acquisire la tecnologia EV.
• Una partnership da 492 milioni di dollari con Magna per rivitalizzare i leggendari Scout SUVs come EV

Con i suoi ambiziosi piani riguardo gli EV e l’accesso a tecnologie EV avanzate dalle principali aziende cinesi, Volkswagen è in una buona posizione per esaminare la tecnologia brevettata del catodo organico del MIT e lavorare per implementarla su larga scala nei suoi futuri EV.

Altre Aziende di Batterie Organiche

Sebbene non stiano sviluppando nuovi catodi, due startup stanno lavorando sull’uso di composti organici per migliorare le prestazioni dell’anodo, Store Dot e EnergyX.