Investire nei risultati del Premio Nobel: Batterie al litio‑ione per alimentare il mondo

Storia del Premio Nobel

Il Premio Nobel è il riconoscimento più prestigioso nel mondo scientifico. È stato creato secondo Testamento di Alfred Nobel per concedere un premio “a coloro che, nell’anno precedente, hanno conferito il più grande beneficio all’umanità” in fisica, chimica, fisiologia o medicina, letteratura e pace. Un sesto premio sarebbe stato creato in seguito per le scienze economiche dalla banca centrale svedese.
La decisione su chi assegnare il premio spetta a diverse istituzioni accademiche svedesi.

Preoccupazioni sul lascito

La decisione di creare il Premio Nobel arrivò ad Alfred Nobel dopo aver letto la propria necrologio, a seguito di un errore di un giornale francese che fraintese la notizia della morte di suo fratello. Intitolato “Il Mercante della Morte è morto”, l’articolo francese attaccò Nobel per la sua invenzione di esplosivi senza fumo, di cui la dinamite era la più famosa.
Le sue invenzioni furono molto influenti nel plasmare la guerra moderna, e Nobel acquistò una enorme acciaieria per trasformarla in un importante produttore di armamenti. Essendo prima chimico, ingegnere e inventore, Nobel si rese conto di non volere che il suo lascito fosse quello di un uomo ricordato per aver fatto una fortuna grazie alla guerra e alla morte altrui.

Premio Nobel

Al giorno d’oggi, la fortuna di Nobel è conservata in un fondo investito per generare reddito a finanziare la Fondazione Nobel e la medaglia verde dorata placcata d’oro, il diploma e il premio monetario di 11 milioni di SEK (circa 1 milione di dollari) attribuito ai vincitori.

Spesso, il denaro del Premio Nobel è diviso tra diversi vincitori, soprattutto nei campi scientifici dove è comune che 2 o 3 figure di spicco contribuiscano insieme o in parallelo a una scoperta rivoluzionaria.
Nel corso degli anni, il Premio Nobel è diventato IL premio scientifico, cercando di trovare un equilibrio tra scoperte teoriche e molto pratiche. Ha premiato risultati che hanno costruito le fondamenta del mondo moderno come radioattività, antibiotici, raggi X, o PCR, così come scienze fondamentali come la fonte di energia del sole, la carica dell’elettrone, la struttura atomica, o la superfluidità.

Una batteria per alimentare tutto

Oggi, l’elettrificazione sembra una tendenza inarrestabile, che sta prendendo il controllo dei nostri sistemi energetici e sostituendo i combustibili fossili, dai veicoli elettrici alle pompe di calore. Nulla di tutto ciò sarebbe stato possibile senza l’emergere di batterie radicalmente più potenti rispetto ai progetti precedenti basati su metallo e acido.

Le batterie, come concetto generale, funzionano immagazzinando elettricità e rilasciandola nuovamente. Mentre alcune batterie sono monouso, le batterie più utili sono ricaricabili. Per molto tempo, la batteria al piombo‑acido, inventata a metà del 1800, è stata la forma dominante di batteria ricaricabile grazie al suo basso costo e robustezza.

Nella loro forma più semplice, le batterie al piombo‑acido funzionano trasferendo ioni di zolfo dall’acido agli atomi di piombo durante la carica e invertendo questa reazione durante la scarica.

• Peso elevato
• Materiali corrosivi.
• Durata relativamente breve con solo poche centinaia a mille cicli di vita.
• Autoscarica nel tempo.
• Densità energetica limitata.

Tutti questi fattori limitanti rendevano la batteria al piombo‑acido una buona opzione per applicazioni a bassa potenza come l’azionamento delle scintille e della radio di un’auto a benzina. Ma qualsiasi cosa più esigente, dall’elettronica alla sostituzione dei combustibili fossili, non funzionava con questo tipo di batteria.

Questo cambiò grazie al lavoro combinato di 3 diversi ricercatori, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, e Akira Yoshino. Insieme, avrebbero vinto il Premio Nobel nel 2019 in Chimica per il loro contributo alla creazione della batteria al litio‑ione.

Oggi, le batterie al litio‑ione sono passate dall’alimentare computer, smartphone e power bank di riserva a veicoli elettrici, reti elettriche e forse presto anche aerei.

Proprietà elettriche uniche del litio

Il litio fu scoperto per la prima volta nel 1817 da chimici svedesi. È l’elemento solido più leggero, con numero atomico 3 (solo 3 protoni nel suo nucleo).

La piccola dimensione degli atomi di litio significa che hanno solo un elettrone nella loro carica esterna, e quando questo elettrone si sposta verso un altro atomo, conferisce loro un enorme cambiamento di potenziale elettrico per atomo.

Mentre questa estrema reattività è ideale per l’uso nelle batterie, comporta anche alcuni pericoli. A causa dell’alta reattività dell’elemento, il litio metallico puro può autoaccendersi a contatto con acqua o aria. Questo è in qualche modo simile al sodio o al magnesio metallici.

La maggior parte delle batterie funziona attorno al concetto di un anodo negativo e un catodo positivo, collegati da un elettrolita liquido.

L’estrema reattività del litio ha impedito l’uso di elettroliti a base d’acqua. Negli anni ’60, furono progettati diversi elettroliti usando molecole organiche (a base di carbonio), per trovare la giusta combinazione di inerzia, punto di fusione, stabilità redox, solubilità di ioni e sali di litio, velocità di trasferimento ione/elettrone, viscosità, ecc.

Il progetto iniziale delle batterie al litio‑ione utilizzava litio metallico come anodo e composti di carbonato come elettroliti. Tuttavia, trovare il materiale catodico giusto fu una sfida maggiore.

Il grande petrolio crea batterie al litio

Per quanto sorprendente possa sembrare, la genesi della moderna batteria al litio‑ione, che alla fine avrebbe messo in pericolo l’auto a motore a combustione interna, fu sviluppata presso la “Big Oil” Exxon Research and Engineering Company.

Negli anni ’70, l’idea di “peak oil”, ovvero l’esaurimento delle riserve di petrolio, era una minaccia presa molto seriamente dalle compagnie petrolifere. Cercando di garantire la presenza continua dell’azienda nel settore energetico, Exxon assunse alcuni dei migliori scienziati del campo. Concesse loro generosi budget di ricerca combinati con la rara libertà di perseguire indipendentemente l’idea che ritenevano più promettente.

Tra loro c’era Stanley Whittingham, un ricercatore della Stanford University specializzato in “intercalazione”. L’intercalazione è il fenomeno per cui i vuoti atomici in un materiale possono legarsi agli ioni.

L’intercalazione sarebbe il materiale ideale per costruire un catodo per le batterie al litio‑ione, trattenendo gli ioni di litio negli spazi.

• Non si dissolve nell’elettrolita.
• Non intercalazione dell’elettrolita.
• L’intercalazione deve essere reversibile.
• Minimi cambiamenti strutturali durante carica e scarica.
• Può operare a temperatura e pressione ambiente.

Whittingham alla fine si stabilì su disolfuro di titanio (TiS2), dopo aver considerato il disolfuro di tantalio, ma scelse il titanio a causa del peso elevato del tantalio.

Per migliorare le prestazioni, trovarono un metodo di utilizzare polvere di TiS2 mescolata con Teflon e fissata a un supporto di acciaio, avvolta da una pellicola di polipropilene e litio metallico.

Il problema dei dendriti

Un problema continuava a affliggere la potenziale batteria al litio‑ione. Dopo molti cicli di carica‑scarica, si formava una struttura a forma di albero chiamata dendrite dal litio.

Quando rompeva l’isolante che separava i due segmenti della batteria, i dendriti creavano un cortocircuito. Questo problema fermò lo sviluppo di una batteria al litio‑ione commerciale.

Quando raggiungevano l’altro elettrodo, la batteria si cortocircuitava, il che poteva portare a un’esplosione.

I vigili del fuoco dovettero spegnere numerosi incendi e infine minacciarono di far pagare al laboratorio i prodotti chimici speciali usati per estinguere gli incendi di litio.

I dendriti sarebbero stati resi più gestibili aggiungendo alluminio all’anodo di litio, creando la prima batteria al litio‑ione commerciale, usata negli orologi nel 1976.
In parallelo, i prezzi del petrolio, che erano schizzati alle stelle nella stagflazione degli anni ’70, scesero nuovamente. Nuovi giacimenti di petrolio furono scoperti, riducendo la paura del picco del petrolio. Ciò ridusse anche i ricavi e i profitti di Exxon, costringendo l’azienda a tagliare la ricerca fondamentale e a concedere in licenza la batteria appena inventata ad altre aziende.

Materiale catodico migliore

Dove Stanley Whittingham creò un catodo praticabile, il successivo vincitore del Premio Nobel, John Goodenough, ne migliorò il potenziale elettrico, aumentando le prestazioni della batteria.

Goodenough, fisico e matematico, aveva precedentemente contribuito all’invenzione della memoria ad accesso casuale (RAM) al MIT. Successivamente si trasferì all’Università di Oxford per entrare nella ricerca sui sistemi energetici, e in particolare sulle batterie.

Studiante le nuove batterie al litio‑ione, si rese conto che l’ossido metallico poteva funzionare ancora meglio del sulfuro metallico di Whittingham. Dopo una ricerca sistematica, scoprì che il design al litio‑cobalto ossido aveva il doppio del potenziale elettrico rispetto al design precedente, a 4 V, e pubblicò la sua scoperta nel 1980.

Questo design a base di cobalto rimase la caratteristica dominante delle batterie al litio‑ione fino all’ultimo decennio, quando iniziarono ad apparire chimiche alternative senza cobalto per le batterie al litio. Un processo ancora in corso, come discusso nel nostro articolo “Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?”.

Una nuova casa per la ricerca sul litio

N nei paesi occidentali, il drammatico calo dei prezzi del petrolio negli anni ’80 ridusse la domanda di soluzioni energetiche alternative. Tuttavia, in Giappone, l’elettronica di consumo portatile divenne un’industria in rapida crescita. Richiedeva un’alimentazione sempre più potente, duratura, leggera e sufficientemente piccola da entrare in Walkman, fotocamere, computer, telefoni cordless, ecc.

Akira Yoshino della Asahi Kasei Corporation capì presto che le batterie erano il collegamento mancante e che l’industria ne avrebbe avuto bisogno.

Le batterie al litio‑ione erano adatte in termini di densità energetica, e ora avevano un buon catodo con il design a base di cobalto di Goodenough. Tuttavia, il problema dell’anodo in litio metallico e dei suoi pericolosi dendriti persisteva.

Yoshino testò batterie contenenti litio puro e vide che test come far cadere un peso pesante sulla batteria potevano creare una potente esplosione. Questo era troppo pericoloso per batterie più grandi per superare le leggi di protezione dei consumatori, e sarebbe comunque stato un disastro di pubbliche relazioni in attesa di accadere.

Rimozione del litio dall’anodo

La grafite, o carbonio puro, come la punta di una matita, era da tempo nota come potenziale sostituto dell’anodo di litio metallico, grazie al suo basso potenziale elettrico rispetto a Li+/Li. Il problema era che la grafite si danneggiava e si sfaldava nell’elettrolita organico.

La intuizione chiave di Akira Yoshino, che gli valse il Premio Nobel, fu usare coke di petrolio invece della grafite. Il coke è un sottoprodotto dell’industria petrolifera, e alcune qualità del prodotto si dimostrarono stabili nelle condizioni richieste per formare una batteria al litio‑ione.

Yoshino misurò anche che un anodo di coke con i giusti gradi di cristallinità poteva accogliere e rilasciare grandi quantità di ioni di litio. Questo design era molto più sicuro, aprendo la strada alla commercializzazione di batterie al litio‑ione più grandi.

Yoshino poi costruì una batteria con il suo nuovo anodo di coke e il catodo di ossido di cobalto di Goodenough.

Venne rilasciata commercialmente nel 1991 da Sony e Asahi Kasei, 11 anni dopo la scoperta di Goodenough e 15 anni dopo la prima batteria al litio‑ione commercializzata di Whittingham.

Eredità delle batterie al litio‑ione e rilevanza continua

Le batterie al litio‑ione a base di coke/cobalto di Yoshino si diffusero rapidamente in tutti i dispositivi elettronici moderni. Insieme, co-evolvero con i progressi nel calcolo e nell’elettronica per creare successivamente laptop, lettori mp3, smartphone, console portatili e tablet che sono onnipresenti nella nostra vita.

Il litio‑ione subì una nuova rivoluzione con l’emergere dei veicoli elettrici. Inizialmente furono potenziati da Tesla (TSLA ) e dai produttori cinesi di veicoli come BYD (una società di batterie prima di diventare il più grande costruttore di auto elettriche al mondo, vedi più informazioni su BYD alla fine dell’articolo).

Poiché un solo veicolo elettrico consuma il volume di batteria di centinaia di smartphone o computer, questo cambiamento di mercato ha portato a un’esplosione della domanda di batterie al litio‑ione, superando di gran lunga il mercato pre‑2015.

La rivoluzione dell’elettrificazione è ora in pieno svolgimento, anche se i produttori tradizionali e le startup più piccole stanno lottando per fare la transizione, per ora superati da aggressivi produttori cinesi con un vantaggio iniziale nella tecnologia EV.

Le batterie al litio‑ione stanno anche facendo spazio nella stabilizzazione della rete elettrica, che dipende sempre più da fonti rinnovabili intermittenti. Tuttavia, questa è una categoria in cui il litio‑ione potrebbe non essere la migliore chimica disponibile, come discusso in “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

Avanzare nella tecnologia delle batterie

Un problema con la domanda esplosiva di batterie al litio‑ione da parte dei veicoli elettrici è che ha anche causato un’esplosione nella domanda dei metalli in esse contenuti.

Ciò ha provocato un’estrema volatilità nei prezzi del litio, con l’industria mineraria del litio che attraversa cicli rapidi di sotto‑ e sovrapproduzione.

Altri metalli, come il cobalto, potrebbero essere ancora più problematici, poiché la loro produzione di massa è legata al lavoro minorile e schiavo e ad altri abusi dei diritti umani.

Per questi motivi, già nel 1996, John Goodenough identificò il litio‑ferro‑fosfato (LFP) come alternativa senza cobalto (“LiFePO4: Un nuovo materiale catodico per batterie ricaricabili”).

LFP si dimostrò un’alternativa più sostenibile e più economica alle batterie al litio‑ione classiche, sebbene con una densità energetica inferiore. Entro il 2022, le batterie LFP rappresentavano il 31% del mercato delle batterie per veicoli elettrici. Sono anche comunemente usate nello stoccaggio domestico di energia.

Altre alternative stanno arrivando sul mercato, in particolare le batterie al sodio‑ione (che eliminano completamente il litio usando invece sale più economico) e le batterie a stato solido.

Puoi leggere una panoramica della tecnologia delle batterie orientata alla mobilità in “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Ciò include le batterie di vetro, l’ultimo concetto di batteria su cui il dottor Goodenough lavorò prima della sua scomparsa nel 2023 con affermazioni sorprendenti come il doppio della densità energetica delle batterie al litio‑ione convenzionali, la possibilità di ricaricare 23.000 volte e un tempo di ricarica di pochi minuti.

Investire nella tecnologia delle batterie

Le batterie al litio‑ione hanno già cambiato il mondo più volte, permettendo alle persone di portare ovunque elettronica avanzata e alimentando le auto solo con elettricità. Potrebbero ancora farlo di nuovo, o altri tipi di batterie, consentendo una rete energetica al 100 % rinnovabile o l’elettrificazione degli aerei quando si raggiungerà una densità energetica sufficientemente alta.

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 in molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere specifiche società di batterie, puoi anche considerare ETF biotech come Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), il Lithium & Battery Tech ETF (LIT) di Global X, o il WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), che forniranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sulla crescita dell’industria delle batterie.

Aziende di batterie

1. CATL (300750.SZ)

CATL è il leader globale nella produzione di batterie, producendo più della metà del volume globale di batterie.

L’azienda è presente in ogni fase della catena di fornitura della produzione di batterie ed è leader nella tecnologia delle batterie.

Ciò è vero per le batterie al litio‑ione, dove l’azienda è da tempo leader consolidato.

CATL ha anche annunciato progressi impressionanti su più tipi di batterie:

• Una batteria ultra‑long‑life da 12.000 cicli per lo stoccaggio di energia su scala utility, con 18.000 cicli come obiettivo a lungo termine.
• Una batteria LFP (Lithium Iron Phosphate) da 700 km che carica 400 km di autonomia in 10 minuti.
• Una batteria da 500 Wh/kg, potenzialmente in grado di elettrificare gli aerei passeggeri.
• Produzione di massa di batterie al sodio‑ione da 160 Wh/kg, con un obiettivo di 200 Wh/kg.

Più recentemente, è stato annunciato che ha praticamente risolto il problema della formazione di dendriti con il litio metallico come anodo, grazie a una struttura 3D che ne blocca la formazione.

L’azienda si sta attivando nel mercato delle batterie su scala utility con l’annuncio delle prestazioni del suo sistema TENER. È “il primo sistema di stoccaggio energetico producibile in massa con zero degradazione nei primi cinque anni di utilizzo a Pechino, Cina”.

Energia immensa in uno spazio compatto: contenitore da 20 piedi con capacità di 6,25 MWh.

Alimentato da tecnologie all’avanguardia e capacità produttive estreme, CATL ha risolto le sfide causate dai litio altamente attivi nei batteri a zero degradazione, aiutando efficacemente a prevenire il runaway termico causato da reazioni di ossidazione.

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

Grazie alla sua scala, focus e risultati di R&S, CATL è probabilmente in prima linea nell’innovazione, produzione e riciclo di batterie. Questo la rende un partner chiave per i produttori di veicoli elettrici, inclusi Tesla, NIO, Ford, Stellantis, ecc.

2. BYD (BYDDY)

Un concorrente di lunga data di Tesla nel mercato dei veicoli elettrici, BYD è diventato un serio concorrente non solo per Tesla ma per praticamente tutti i produttori di auto.

L’azienda è evoluta dalla sua origine come fornitore di batterie al litio‑ione per telefoni per vendere quasi lo stesso numero di veicoli elettrici di Tesla in Cina (il più grande mercato EV al mondo) e per essere il veicolo elettrico più venduto in Thailandia, Svezia, Australia, Nuova Zelanda, Singapore, Israele e Brasile.

BYD è una grande parte del motivo per cui la Cina è improvvisamente diventata il più grande esportatore di auto al mondo nel 2023, superando il Giappone. L’espansione aggressiva all’estero dell’azienda è anche sostenuta da nuove fabbriche, come in Ungheria.

E con il lancio di auto da 10.000‑12.000 $ come la Seagul, che utilizza batterie al sodio, potrebbe aprirsi un intero nuovo mercato per i veicoli elettrici BYD.

Ancora un produttore di batterie al suo interno, BYD è un serio concorrente di CATL nel mercato delle batterie LFP (litio ferro fosfato), con una quota di mercato del 41,1 % in Cina (rispetto al 33,9 % di CATL).

Il “flood” di veicoli elettrici economici prodotti da BYD nei mercati europei e americani sarà probabilmente incontrato da un certo livello di protezionismo (anche al di sopra delle recenti tariffe), il che potrebbe ostacolare la crescita di BYD.

Ma allo stesso tempo, le auto elettriche cinesi economiche hanno già un grande successo nel resto del mondo, che non ha concorrenti significativi di case automobilistiche domestiche da proteggere, includendo l’intera Sud America, Russia, Africa, Medio Oriente e Sud‑Est asiatico.

Ciò rappresenta diversi miliardi di potenziali clienti per BYD, che vivono in paesi desiderosi di mantenere un equilibrio geopolitico e rimanere in buoni rapporti sia con l’Occidente che con la Cina, quindi è improbabile che si creino barriere protezionistiche troppo forti.

E anche nell’UE o negli USA, BYD potrebbe rimanere competitivo, grazie ai prezzi molto più alti dei produttori locali rispetto ai prezzi in Cina, così come alla localizzazione della produzione fuori dalla Cina per questi mercati, ad esempio in Europa orientale, Messico o Turchia.