Sale Rocciosa Disordinata: Come Affrontare la Mobilità dell’Ossigeno Ha Portato a una Scoperta nella Tecnologia delle Batterie

La domanda di batterie sta crescendo a livello mondiale, spinta dal loro uso crescente nell’industria automobilistica, dalla crescente popolarità dell’elettronica di consumo portatile e da normative ambientali rigorose. Di conseguenza, il mercato globale delle batterie è stato previsto raggiungere $800bln entro il 2036, rispetto a circa $120bln nel 2023.

Alla luce di questa crescita prevista, i ricercatori stanno continuamente sviluppando e testando nuovi materiali e sostanze chimiche per migliorare le parti critiche delle batterie, che influenzano proprietà come la potenza energetica, la capacità di immagazzinamento, la capacità di potenza e la capacità di ciclaggio.

Questi componenti includono un catodo (elettrodo positivo), un anodo (elettrodo negativo), un elettrolita (per il trasporto di ioni tra gli elettrodi) e un separatore.

La maggior parte dei dispositivi alimentati a batteria oggi, come veicoli elettrici, smartphone e sistemi di accumulo energetico, si basa sulla tecnologia delle batterie al litio‑ione. Le batterie al litio‑ione possono immagazzinare una grande quantità di energia in dimensioni compatte, caricarsi rapidamente e durare a lungo.

Tuttavia, con la crescente domanda di batterie con capacità maggiori, nuove tecnologie sono oggetto di ricerca e sviluppo per migliorare l’efficienza, ridurre i costi, aumentare la sicurezza e promuovere la sostenibilità.

Negli anni, la ricerca continua ha portato a progressi che offrono alternative promettenti alle batterie al litio‑ione e al piombo‑acido.

Le batterie al sodio‑ione offrono un’opzione più economica e sicura che funziona meglio a temperature più basse. Queste batterie sono simili a quelle al litio‑ione ma utilizzano acqua salata come elettrolita, rendendole più adatte per l’accumulo di energia, sebbene non siano ancora ottimizzate. I ricercatori stanno persino usando gel elettrolitico per rendere i nanofili più resistenti e adatti all’uso nelle batterie.

Le batterie allo stato solido, d’altra parte, utilizzano un elettrolita solido come vetro, ceramica o polimero invece di gel o elettrolita liquido. Queste batterie sono molto più efficienti, pesano meno, si caricano più velocemente e sono già impiegate in smartphone e pacemaker. Toyota e BMW stanno attualmente lavorando al lancio di auto alimentate da batterie allo stato solido, anche se ci vorranno ancora alcuni anni.

Altre nuove tecnologie includono le batterie litio‑zolfo, che sono economiche ma hanno una limitazione di durata, e le batterie al litio‑ione prive di cobalto, che possono contribuire a risolvere le preoccupazioni sui diritti umani nell’estrazione del cobalto. Tuttavia, alternative come TAQ sono ancora nuove e necessitano di ulteriori test.

Anche le batterie a base di zinco sono oggetto di studio, con tecnologie che includono zinco‑diossido di manganese, zinco‑aria, zinco‑bromo e batterie a ioni di zinco. Tuttavia, sono inefficienti, a volte coinvolgono reazioni chimiche di conversione inattese e sono costose da produrre, richiedendo ulteriori ricerche.

Man mano che il mondo dipende sempre più dalle batterie, gli scienziati di tutto il globo si concentrano sul raggiungimento di scoperte rivoluzionarie nei tempi di immagazzinamento, nella potenza erogata, nei costi di produzione e nella prontezza istantanea.

Ultima Scoperta nelle Batterie: Catodi di Sale Rocciosa-Polianioni 

Nuove ricerche hanno compiuto un avanzamento nell’aumento della densità energetica pratica della batteria. Pubblicato su Nature Energy alla fine del mese scorso, lo studio intitolato “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling”, è stato condotto dal Dipartimento di Scienze Nucleari e Ingegneria del MIT.

Lo studio si concentra su un nuovo materiale catodico trovato in sale rocciosa disordinata, studiato come materiale catodico avanzato per l’uso nelle batterie al litio‑ione da oltre un decennio. 

I ricercatori del MIT hanno garantito che il materiale possa creare un immagazzinamento ad alta energia e a basso costo per veicoli elettrici, telefoni cellulari e accumulo di energia rinnovabile.

Guidato da Ju Li, professore di Ingegneria Nucleare presso la Tokyo Electric Power Company, il team ha scoperto il DRXPS, o spinello disordinato di sale rocciosa‑polianionico, come nuovo materiale.

Questa nuova categoria di catodo di sale rocciosa parzialmente disordinata, integrata con polianioni, si è dimostrata in grado di fornire alta densità energetica a tensioni elevate con stabilità di ciclaggio migliorata. Questo è un grande risultato, dato che tipicamente esiste un compromesso tra densità energetica e stabilità di ciclaggio nei materiali catodici.

“Con questo lavoro, miriamo a spingere i confini progettando nuove chimiche di catodo.”

– Yimeng Huang, primo autore del documento, postdoc al NSE

Ora, come riesce la nuova famiglia di materiali a ottenere sia alta densità energetica sia buona stabilità di ciclaggio? La risposta risiede nell’integrazione di due materiali catodici chiave — sale rocciosa e olivina polianionica. Combinandoli, si ottengono i vantaggi di entrambi.

Un altro elemento in gioco è il manganese (Mn), un metallo duro e argentato, abbondante sulla Terra e molto più economico rispetto ad altri elementi attualmente usati nei catodi odierni.

Per esempio, il manganese costa circa trenta volte meno del cobalto (Co) e cinque volte meno del nichel (Ni), entrambi comunemente usati nelle batterie. Inoltre, il manganese svolge un ruolo cruciale nel raggiungere densità energetiche più elevate. 

“(Avere un) materiale così più abbondante sulla Terra è un vantaggio enorme.”

– Li, professore di scienza e ingegneria dei materiali

Questo vantaggio, secondo i ricercatori, ha un grande valore per un futuro a zero emissioni di carbonio che richiede infrastrutture energetiche rinnovabili. 

Le batterie possono svolgere un ruolo importante in questa transizione, con il potenziale di decarbonizzare i trasporti tramite veicoli elettrici e affrontare l’intermittenza dell’energia solare e eolica. Poiché queste fonti rinnovabili non sono disponibili 24/7, lo stoccaggio energetico è essenziale per fornire energia nei momenti in cui non sono disponibili, ad esempio di notte o in giornate nuvolose e calme.

I ricercatori sottolineano inoltre che materiali come cobalto e nichel sono relativamente rari e costosi. Usarli per scalare rapidamente la capacità di immagazzinamento elettrico potrebbe provocare picchi di costo significativi e potenziali carenze di materiali. Secondo Li:

“Se vogliamo una vera elettrificazione della generazione di energia, dei trasporti e altro, abbiamo bisogno di batterie abbondanti sulla Terra per immagazzinare l’energia intermittente fotovoltaica e eolica. Credo che questo sia uno dei passi verso quel sogno.”

Superare l’Ostacolo della Mobilità dell’Ossigeno nei Materiali Attuali

Finanziato dall’Honda Research Institute USA Inc. e dal Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory, lo studio ha affrontato una delle principali sfide dei catodi di sale rocciosa disordinata.

Come accennato in precedenza, il materiale è stato studiato per la sua capacità estremamente elevata. Rispetto ai tradizionali materiali catodici, che hanno una capacità tra 190 e 200 milliampere‑ora per grammo, questo materiale vanta fino a 350 milliampere‑ora per grammo.

Tuttavia, nonostante offra una capacità molto alta, il materiale non è molto stabile. Ciò è in parte dovuto al redox dell’ossigeno, un processo che sfrutta la densità elettronica vicino agli atomi di ossigeno nei materiali catodici. 

Il redox dell’ossigeno si attiva quando il catodo è caricato a tensioni elevate, rendendo l’ossigeno mobile, il che poi porta a reazioni con l’elettrolita e al degrado del materiale. Questo rende il materiale inutilizzabile dopo cicli prolungati.

Per superare queste sfide, i ricercatori hanno introdotto un altro elemento nel materiale: fosforo (P), un solido morbido e ceroso che agisce come colla, tenendo l’ossigeno al suo posto e riducendo il degrado del materiale. 

Ma aggiungere solo fosforo non è sufficiente. È la giusta quantità di fosforo la più importante innovazione qui. L’aggiunta della quantità appropriata di P “ha formato i cosiddetti polianioni con i suoi atomi di ossigeno vicini in una struttura di sale rocciosa carente di cationi che può fissarli”, ha dichiarato Li.

Il forte legame covalente tra ossigeno e fosforo consente ai ricercatori di porre fine al trasporto di ossigeno. In questo modo, sono riusciti a sfruttare la capacità fornita dall’ossigeno e allo stesso tempo, ottenere una buona stabilità.

Avere questa capacità di caricare le batterie a tensioni più alte è importante perché consente sistemi più semplici per gestire l’energia immagazzinata.

“Puoi dire che la qualità dell’energia è superiore. Più alta è la tensione per cella, meno è necessario collegarle in serie nel pacco batteria, e più semplice è il sistema di gestione della batteria.”

– Li

Questo studio è solo l’inizio, poiché il team ora esplorerà diversi rapporti di manganese, litio, ossigeno e fosforo, nonché varie combinazioni di altri elementi formatori di polianioni come silicio, zolfo e boro.

Guardando al futuro, i ricercatori indagheranno anche nuovi metodi per fabbricare il materiale, con particolare attenzione alla scalabilità e alla morfologia. Lo studio attuale utilizza la macinazione ad alta energia per la sintesi meccanico‑chimica, che produce una morfologia non uniforme e particelle di circa 150 nanometri, una dimensione media piccola. Inoltre, il loro metodo attuale non è realmente scalabile. 

Quindi, i ricercatori stanno ora provando metodi di sintesi alternativi per ottenere una morfologia più uniforme e particelle di dimensioni maggiori. Questo aiuterebbe ad aumentare la densità energetica volumetrica del materiale e potrebbe persino consentire l’uso di alcuni metodi di rivestimento che migliorerebbero le prestazioni della batteria. I metodi futuri devono anche essere scalabili industrialmente.

Un altro problema è la conduttività, che è stata aumentata aggiungendo una quantità significativa di carbonio al materiale di sale rocciosa disordinata. Infatti, il carbonio rappresentava il 20 % del peso della pasta catodica, poiché il materiale non è un buon conduttore di per sé. 

Quindi, naturalmente, i ricercatori approfondiranno la riduzione del contenuto di carbonio nell’elettrodo. Se riusciranno a farlo senza sacrificare le prestazioni della batteria, potrebbero aumentare la densità energetica pratica incorporando un contenuto più elevato di materiale attivo nella batteria.

A tal fine, stanno valutando l’uso di nanotubi di carbonio, che potrebbero ridurre il contenuto di carbonio a solo uno o due percento in peso, consentendo un aumento significativo del materiale catodico attivo. Lo studio attuale, tuttavia, ha usato Super P, un carbonio conduttivo composto da nanosfere, meno efficiente.

Un ulteriore miglioramento prevede l’uso di elettrodi spessi, che aumenterebbero ulteriormente la densità energetica pratica della batteria.

Una volta che il team ottimizzerà la composizione del materiale, svilupperà elettrodi più spessi, otterrà una morfologia migliore per rivestimenti uniformi, ridurrà il contenuto di carbonio e adotterà metodi di sintesi scalabili, vedono la famiglia di catodi DRXPS come altamente promettente per applicazioni in veicoli elettrici, stoccaggio di rete e elettronica di consumo.

Aziende che Avanzano nel Campo delle Batterie

Molte corporation stanno contribuendo a far progredire il settore, e ancora più aziende potranno beneficiare di questi sviluppi. 

Umicore (UMICY) è una di queste aziende coinvolta nei materiali per batterie, in particolare nelle tecnologie dei catodi, con un focus su materiali sostenibili e avanzati. Nel frattempo, Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) è un fornitore di litio, e Vale (VALE) è un produttore globale leader di ferro e manganese. Ora, diamo un’occhiata ad altri nomi di spicco:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Un grande produttore di litio, Albemarle, ha sviluppato tecnologie per batterie con densità energetica aumentata per ridurre peso e estendere l’autonomia. È uno dei più grandi produttori mondiali di litio per batterie EV. Le offerte dell’azienda per soddisfare la domanda di energia pulita includono soluzioni per catodi, soluzioni per anodi, soluzioni per elettroliti e involucri per batterie.

Con una capitalizzazione di mercato di $9.84 miliardi, il titolo Albemarle è attualmente scambiato a $83.66, in calo del 41.6 % YTD. Ha un EPS (TTM) di -4.73, un P/E (TTM) di -17.67 e un rendimento da dividendo dell’1.94 %. Nel Q2 2024, l’azienda ha registrato vendite nette di $1.4 miliardi e un EBITDA rettificato di $386 milioni. Il cash flow operativo, nel frattempo, è stato di $363 milioni, in aumento rispetto a $289 milioni YoY. Albemarle ha inoltre consegnato oltre $150 milioni in benefici di produttività.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) è uno sviluppatore di batterie allo stato solido al litio‑metallo, con l’obiettivo di trasformare lo stoccaggio energetico. L’azienda ha sviluppato il primo design di cella senza anodo dell’industria, che riduce i costi dei materiali e offre alta densità energetica. Quest’anno, QuantumScape ha collaborato con la società di batterie di Volkswagen, PowerCo, concedendo loro una licenza per produrre in massa celle batteriche basate sulla piattaforma tecnologica di QuantumScape.

Con una capitalizzazione di mercato di $2.75 miliardi, il titolo QuantumScape è attualmente scambiato a $5.51, in calo del 19.78 % YTD. Ha un EPS (TTM) di -0.95 e un P/E (TTM) di -5.78. Nel Q2 2024, l’azienda ha registrato spese in conto capitale di $18.9 milioni, mentre le spese operative GAAP sono state $134.5 milioni. La liquidità ammontava a $938 milioni alla fine del trimestre.

Conclusione

Dato l’ampio utilizzo e le dimensioni del mercato delle batterie, le nuove e avanzate tecnologie per batterie sono oggetto di intensa ricerca e sviluppo. Come abbiamo visto nello studio più recente, il nuovo materiale catodico ha mostrato “alte densità energetiche gravimetriche superiori a 1.100 Wh kg⁻¹ e >70 % di mantenimento su 100 cicli”, aprendo la porta a catodi per batterie realizzati con elementi abbondanti sulla Terra come Mn e Fe.

Poiché le batterie al litio‑ione sono considerate una parte cruciale della transizione verso l’energia pulita, studi come questo garantiscono la loro crescita continua e la riduzione dei prezzi sviluppando “materiali catodici economici e ad alte prestazioni.” 

Ciò indica un futuro promettente per lo stoccaggio di energia, con il potenziale di soddisfare la crescente domanda globale riducendo al minimo l’impatto ambientale.

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