Batteria a Nido d’Ape Potenzialmente in Grado di Superare le Batterie a Stato Solido

Batterie per Elettrificare il Mondo

Le batterie rendono possibili molti sistemi elettrificati, dai veicoli ai droni. Progetti più sperimentali, come Hyperloop o acceleratori elettromagnetici per lanci spaziali, hanno requisiti e livelli di maturità molto diversi e non dipendono soltanto dalle batterie.

L’accumulo può inoltre aiutare la rete a utilizzare l’energia solare e quella eolica quando la produzione non coincide con la domanda.

Fonte: Statista

Le batterie agli ioni di litio hanno avuto un ruolo fondamentale. La loro scoperta e il loro sviluppo hanno ottenuto il Nobel per la chimica nel 2019 (ne raccontiamo la storia in un articolo dedicato).

Le batterie possono degradarsi attraverso diversi meccanismi. In determinate condizioni può depositarsi litio metallico e possono formarsi dendriti, che rischiano di provocare un cortocircuito. Non è un fenomeno inevitabile a ogni ciclo. Gli elettroliti organici infiammabili possono aggravare le conseguenze di un guasto.

Anche le celle LFP, al litio-ferro-fosfato, richiedono una corretta gestione. La loro chimica non elimina ogni possibile causa di degrado o rischio.

Fonte: Nobel Prize

Tra le alternative si studiano gli ioni di sodio e le batterie allo stato solido. Queste ultime utilizzano un elettrolita solido: non sono prive di elettrolita.

CATL ha presentato tecnologie differenti: Shenxing PLUS per veicoli e TENER per accumulo stazionario. La dichiarazione di cinque anni senza degrado riguarda TENER nelle condizioni indicate dal produttore; non dimostra che un progetto pilota abbia già funzionato per cinque anni.

Le strutture dei materiali possono migliorare le prestazioni delle celle attuali. Non è però dimostrato che ogni batteria con struttura a nido d’ape equivalga o sia superiore a ogni batteria allo stato solido.

Strutture a nido d’ape per accumulare energia

L’ingresso e l’uscita degli ioni possono modificare il volume dei materiali degli elettrodi. Le sollecitazioni contribuiscono al degrado, insieme ad altri fenomeni. Non sono l’unica causa della formazione di dendriti.

Gestire le variazioni di volume è importante anche nelle batterie allo stato solido. CATL descrive una struttura a nido d’ape nei materiali dell’anodo di Shenxing PLUS per migliorare densità energetica e stabilità.

Strutture simili sono state studiate anche in altri contesti. Un esempio è il lavoro del 2020 «Batteria agli ioni di litio estensibile basata su una nuova microstruttura a nido d’ape». Il progetto sperimentale non è automaticamente identico al prodotto CATL.

Fonte: Phys.org

CATL ha annunciato Shenxing PLUS, una batteria LFP con un’autonomia dichiarata recuperabile di 600 km in dieci minuti di ricarica. Il produttore indica inoltre oltre 1.000 km di autonomia complessiva in determinate condizioni. L’autonomia reale dipende da veicolo, temperatura, percorso e modalità di prova.

Non si può estrapolare linearmente questo dato per affermare che una ricarica completa da 1.000 km richieda 16,6 minuti: la potenza varia durante la ricarica.

Nuovo Record di Densità

Secondo CATL, il sistema Shenxing PLUS raggiunge una densità energetica di 205 Wh/kg. È un dato a livello di sistema, da distinguere da quelli riferiti alle sole celle.

Il produttore attribuisce parte del miglioramento alla struttura dei materiali dell’anodo. Questo non significa che siano eliminati tutti i difetti o tutte le variazioni di volume.

I dettagli industriali pubblicati sono limitati. Anche i confronti con future generazioni delle batterie Blade di BYD, per le quali vengono riportate stime di circa 190 Wh/kg, richiedono di verificare livello di misurazione, prodotto e condizioni.

Segreti di Produzione

CATL descrive una distribuzione granulometrica ottimizzata e un’incapsulazione su scala nanometrica, oltre a rivestimenti che facilitano il trasporto degli ioni. Ciò non significa poter collocare con precisione assoluta ogni particella della cella.

Il produttore impiega linee altamente automatizzate. I dati sulla cadenza produttiva dipendono dalla linea e dal componente: una cella non equivale a un intero pacco batteria.

Un articolo scientifico del 2021 illustra alcuni vantaggi delle strutture a nido d’ape, tra cui bassa densità e resistenza a determinate sollecitazioni di compressione e taglio.

Nel sistema sperimentale studiato, il grafene a nido d’ape aiuta a limitare l’agglomerazione delle nanoparticelle di silicio e a migliorare conduzione elettrica e trasporto ionico.

Trattamenti termici e chimici possono produrre strutture nanometriche simili. Non è confermato che CATL utilizzi esattamente il processo del lavoro citato.

Fonte: Chemistry Europe

Fonte: Chemistry Europe

Altri Miglioramenti

Miglioramenti di materiali, integrazione e gestione termica possono combinarsi. Una maggiore densità energetica può ridurre peso o volume a parità di energia, ma l’effetto sull’autonomia dipende dall’intero veicolo.

CATL indica anche una tecnologia cell-to-body ottimizzata, con un miglioramento dichiarato del 7% nell’utilizzo del volume. È una caratteristica d’integrazione distinta dalla chimica degli elettrodi.

Il produttore descrive inoltre miglioramenti nel raffreddamento e algoritmi di gestione della batteria. Queste funzioni possono aiutare a controllare il sistema, senza garantire la totale assenza di guasti.

Infrastruttura di Ricarica

La ricarica richiede infrastrutture adeguate per posizione, disponibilità e potenza. Non è necessario replicare esattamente la rete dei distributori, perché molti utenti ricaricano anche a casa o sul lavoro.

Una batteria da 100 kWh caricata a 4C richiede teoricamente circa 400 kW. La potenza effettiva e il tempo totale dipendono dalla curva di ricarica, dalla temperatura e dai limiti di batteria, veicolo e colonnina.

CATL ha annunciato una rete di ricarica rapida Shenxing in Cina insieme a partner quali Star Charge, YKC e Shudao New Energy.

Il piano comprendeva inoltre 600 punti di assistenza in 271 città di livello prefettizio e 31 regioni provinciali. Non vanno confusi con 600 colonnine: l’assistenza comprende controlli e manutenzione.

Oltre le LFP e i veicoli elettrici

Accumulo su scala di rete

CATL sviluppa anche sistemi di accumulo stazionario con più tecnologie. L’impiego del litio non implica l’abbandono delle ricerche sul sodio.

Per il sistema containerizzato TENER, CATL dichiara assenza di degrado di capacità e potenza nei primi cinque anni, entro le condizioni specificate. Il comunicato non documenta cinque anni già trascorsi di funzionamento di un progetto pilota.

Fonte: Sustainability Environment

Non è confermato che TENER impieghi la stessa struttura a nido d’ape di Shenxing PLUS. CATL descrive per TENER altre soluzioni relative a interfacce ed elettrolita.

Il produttore cita un’interfase elettrolitica solida con canali ionici biomimetici e tecnologie di elettrolita autoassemblante. Si tratta della descrizione del produttore: non prova l’assenza di invecchiamento o di instabilità termica in qualunque condizione.

Una minore perdita di capacità può migliorare la durata economica dell’accumulo, ma non dimostra da sola una sicurezza assoluta. Anche altre chimiche possono competere, come spieghiamo in «Il futuro dell’accumulo energetico: batterie su scala di rete». Dimensioni e quote dei mercati futuri dipendono dalle applicazioni e dagli scenari adottati.

Batterie a stato condensato

CATL ha presentato nel 2023 anche una batteria a stato condensato. Non è dimostrato che le sue prestazioni derivino dalla stessa struttura a nido d’ape.

Il produttore ha indicato fino a 500 Wh/kg per questa tecnologia. Il valore non è direttamente confrontabile con i 205 Wh/kg a livello di sistema di Shenxing PLUS, perché occorre distinguere celle e pacchi.

Prezzi, disponibilità e caratteristiche definitive non erano tutti pubblicati. Le applicazioni prospettate comprendevano:

1. Batterie a stato condensato con densità dichiarata fino a 500 Wh/kg, studiate anche per l’aviazione elettrica.
2. LFP avanzate con circa 200 Wh/kg a livello di sistema e ricarica rapida nelle condizioni dichiarate dal produttore.
3. Batterie agli ioni di sodio per applicazioni sensibili al costo, con prestazioni da valutare per ciascun prodotto.

Resta aperta la concorrenza tra le ^prime generazioni di batterie allo stato solido e le altre tecnologie. La produzione su larga scala è importante, ma non determina da sola il risultato.

Fonte: Nature

Investire nelle Tecnologie Avanzate delle Batterie

Le batterie sono importanti per elettrificare trasporti e altri usi energetici e ridurre il ricorso ai combustibili fossili. Costi, materiali e prestazioni ne influenzano la diffusione.

Per investire nelle imprese del settore si possono utilizzare intermediari. Su securities.io trovate informazioni sui broker negli Stati Uniti, in Canada, in Australia, nel Regno Unito e in molti altri paesi.

In alternativa ai singoli titoli si possono esaminare ETF come Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), il Lithium & Battery Tech ETF (LIT) di Global X o il WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Offrono esposizione a più imprese, ma non eliminano il rischio di perdita né investono esclusivamente in questa tecnologia.

Aziende delle batterie avanzate

1. CATL (300750.SZ)

CATL è uno dei principali produttori di batterie e opera in più fasi della filiera. La quota delle installazioni mondiali di batterie per veicoli elettrici nel 2023 era circa il 36,8%, non oltre metà di tutte le batterie del mondo.

La società ha una posizione consolidata nelle batterie agli ioni di litio, ma le nuove dichiarazioni tecnologiche vanno valutate per prodotto e applicazione.

CATL ha annunciato anche altri programmi:

• Batterie per accumulo con una durata dichiarata di 12.000 cicli e un obiettivo a lungo termine di 18.000, secondo le condizioni previste dal produttore.
• Una precedente batteria LFP con autonomia dichiarata di 700 km e recupero di 400 km in dieci minuti. Sono valori dipendenti dal veicolo e dalle condizioni.
• Una tecnologia con densità dichiarata fino a 500 Wh/kg, studiata anche per applicazioni aeronautiche.
• Batterie agli ioni di sodio con densità dichiarata di 160 Wh/kg e obiettivi di sviluppo fino a 200 Wh/kg. Il dato non dimostra la diffusione commerciale di ogni modello.

Fonte: CATL

Fonte: CATL

CATL ha annunciato investimenti nel riciclo delle batterie in Cina per circa 3,25 miliardi secondo la fonte citata. La valuta e il periodo devono essere verificati per confrontare questo dato con altri investimenti. Il produttore dichiara tassi di recupero del 99,6% per nichel, cobalto e manganese e del 91% per il litio. Sono valori di processo dichiarati, non il recupero garantito di ogni batteria raccolta.

La scala produttiva e la ricerca rendono CATL un attore importante anche nel riciclo. Non garantiscono però una leadership permanente in ogni tecnologia.

Tra i clienti e partner del settore automobilistico figurano Tesla (TSLA ), NIO, Ford e Stellantis. Anche Hyundai è entrata nella rete di collaborazioni di CATL.

Alcune conoscenze sviluppate per una chimica possono essere utili ad altre. Non si può però presumere che strutture a nido d’ape o stato condensato siano già state trasferite con successo a ogni batteria al sodio.

2. BYD (BYDDY)

BYD è un importante concorrente nel mercato dei veicoli elettrici e ibridi plug-in.

Nata anche come produttrice di batterie, l’azienda ha ampliato la propria presenza nei veicoli elettrici in Cina e all’estero. Le classifiche cambiano secondo il paese, il periodo e la distinzione tra veicoli puramente elettrici e ibridi plug-in.

Nel 2023 la Cina è diventata il maggiore esportatore mondiale di automobili. BYD ha contribuito all’espansione e ha annunciato nuove fabbriche estere, come quella prevista in Ungheria.

Modelli economici come Seagull possono ampliare il mercato. La Seagull commercializzata utilizza batterie Blade LFP: non va descritta come un modello già venduto con batterie al sodio.

Fonte: Di User3204 – Opera propria, CC BY-SA 4.0,

BYD è anche un forte concorrente nelle LFP. Le quote del 41,1% e del 33,9% citate per BYD e CATL riguardano uno specifico segmento e periodo del mercato cinese, non l’intero mercato mondiale delle batterie.

Dazi e altre misure commerciali in Europa e negli Stati Uniti possono ostacolare l’espansione di BYD. Il loro effetto dipende dal mercato e dal tipo di veicolo.

L’azienda si espande anche in altre regioni, che hanno situazioni industriali e politiche diverse. Non è corretto presumere che nessuna abbia produttori locali da proteggere.

Una popolazione numerosa non equivale a un numero garantito di clienti. Redditi, infrastrutture, concorrenza e politiche commerciali influenzano la domanda.

La produzione locale può aiutare l’accesso ad alcuni mercati. Prezzi cinesi più bassi non garantiscono però la stessa competitività dopo trasporto, dazi, normative e costi industriali locali.