Nuovo design Li‑ion consente la ricarica rapida dei veicoli elettrici al freddo

Il mercato globale dei veicoli elettrici (EV) sta vivendo una crescita robusta, con una macchina su cinque venduta che è elettrica. 

L’anno scorso, il numero di EV venduti è cresciuto del 25% e, con ciò, gli EV hanno rappresentato il 21% di tutte le vendite di auto a livello mondiale.

Questa crescita è guidata dalla domanda dei consumatori, preoccupati per il cambiamento climatico, dal sostegno politico dei governi di tutto il mondo, dall’aumento della concorrenza sui prezzi, rendendo gli EV più accessibili, e dai miglioramenti nella tecnologia delle batterie.

Nel campo delle batterie, le batterie al litio‑ion sono la tecnologia più popolare e ampiamente utilizzata grazie al loro peso leggero, all’alta densità energetica e alla lunga durata. 

Tuttavia, nonostante questi progressi nella tecnologia delle batterie, le attuali batterie Li‑ion hanno prestazioni limitate a basse temperature e durante ricariche rapide. Le loro prestazioni sono inoltre influenzate se l’elettrodo è troppo spesso, dove è necessario affrontare simultaneamente molteplici effetti di trasporto di massa e cinetica interfaciale.

Ciò comporta compromessi di progettazione che limitano l’uso delle batterie in aree difficili da elettrificare. Questo si applica in particolare a ambienti estremi e configurazioni in cui la gestione termica non è fattibile. 

Ciò significa che migliorare le batterie al litio richiede di affrontare il trilemma tra elettrodi ad alta densità energetica, funzionamento a basse temperature e ricarica rapida. 

Con questo obiettivo, gli ingegneri dell’Università del Michigan hanno introdotto una strategia che consente una ricarica estremamente rapida, fino a 6C, a temperature anche di −10°C. La ricarica rapida a basse temperature promette di migliorare gli EV nei climi freddi. 

La ricarica rapida a temperature sotto lo zero è stata ottenuta mantenendo carichi elettrodici superiori a 3 mAh/cm². 

Per questo, il team introduce una strategia che integra architetture elettrodiche tridimensionali con un’interfaccia artificiale di elettrolita solido (SEI) mediante deposizione atomica a strati di un elettrolita solido (Li3BO3‑Li2CO3). 

Questa strategia sinergica può affrontare le limitazioni interfaciali e di trasporto in condizioni estreme senza la formazione dannosa di placcatura di litio. Modificando gli elettrodi per migliorare il trasporto di massa e la cinetica interfaciale è stata aumentata la loro capacità accessibile.

Secondo lo studio, pubblicato su Joule¹, fornisce approfondimenti fondamentali sui meccanismi dominanti che controllano la placcatura di litio e la perdita di capacità in condizioni di basse temperature e ricarica rapida.

Ricarica rapida per EV in clima freddo 

L’adozione globale degli EV è cresciuta costantemente sin dal 2010. Nel 2020, le auto elettriche hanno avuto il loro grande momento, con un aumento delle immatricolazioni nei principali mercati nonostante la pandemia di COVID. 

Gli EV hanno avuto il loro anno record nel 2020, con più di 10 milioni di veicoli in circolazione entro la fine dell’anno, grazie ai modelli elettrici a batteria che hanno guidato l’espansione.

Da allora, le auto elettriche sono diventate ancora più popolari, diventando una vista comune sulle strade. Tuttavia, il tasso di crescita sta ora rallentando. 

Secondo un sondaggio dei consumatori AAA, la percentuale di adulti statunitensi che sarebbero “probabilmente” o “molto probabilmente” a comprare un EV nuovo o usato è scesa dal 23% nel 2023 al 18% nel 2024. Inoltre, il 63% ha dichiarato che sarebbe “improbabile” o “molto improbabile” che il loro prossimo acquisto di veicolo sia un EV. 

“I primi adottanti che volevano un EV ne hanno già uno,” ha osservato lo scorso estate Greg Brannon, direttore della ricerca automobilistica presso AAA. “Il gruppo rimanente di persone che non ha ancora adottato gli EV considera la praticità, il costo, la comodità e l’esperienza di proprietà, e per alcuni questi sono ostacoli sufficientemente grandi da impedirgli di fare il salto verso il pienamente elettrico.” L’interesse sta spostandosi verso gli ibridi.

Il cambiamento è in parte dovuto alle preoccupazioni per la diminuzione dell’autonomia in inverno e la ricarica più lenta. In inverno, le batterie devono essere sufficientemente calde perché gli elettroni si muovano, il che significa che può richiedere mezz’ora per riscaldare la batteria e renderla pronta alla ricarica. Secondo Neil Dasgupta, professore associato di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali presso la U‑M:

“Ricaricare una batteria EV richiede 30‑40 minuti anche per una ricarica rapida aggressiva, e quel tempo aumenta a oltre un’ora in inverno. Questo è il punto critico che vogliamo affrontare.” 

Studi hanno scoperto che la perdita di autonomia può variare dal 10% al 36%. Il punto è che, a basse temperature, “praticamente qualsiasi sostanza chimica rallenta.”

Così, gli ingegneri della U‑M hanno sviluppato un processo di produzione modificato per le batterie EV che potrebbe consentire una ricarica rapida in condizioni di freddo estremo e ampia autonomia. Con questi grandi problemi risolti, questo processo può ulteriormente favorire l’adozione delle auto elettriche. 

“Immaginiamo questo approccio come qualcosa che i produttori di batterie EV potrebbero adottare senza cambiamenti importanti alle fabbriche esistenti. Per la prima volta, abbiamo mostrato una via per raggiungere simultaneamente una ricarica estremamente rapida a basse temperature, senza sacrificare la densità energetica della batteria al litio‑ion.” 

– Autore corrispondente dello studio, Dasgupta

Utilizzando questo nuovo processo di produzione, batterie EV al litio‑ion possono ricaricarsi fino al 500% più velocemente anche a 14 °F.

Questa forte prestazione è il risultato di una struttura e di un rivestimento che impediscono la formazione di placcatura di litio sugli elettrodi della batteria. La placcatura di litio è dannosa per le batterie, ostacolando le loro prestazioni mediante la perdita di capacità e la riduzione della vita ciclica. Può persino rappresentare un potenziale rischio di sicurezza sotto forma di cortocircuiti interni dovuti alla formazione di dendriti di litio. 

Prevenendo la formazione della placcatura di Li, le modifiche hanno permesso alle batterie di mantenere fino al 97% della loro capacità, anche dopo essere state ricaricate rapidamente 100 volte a temperature molto fredde.

Progettare una batteria con migliore velocità, autonomia & resistenza al freddo

Le batterie EV immagazzinano energia chimica e la convertono in energia elettrica. Questa conversione è guidata da una reazione elettrochimica che utilizza celle al litio‑ion con un anodo (elettrodo negativo) e un catodo (elettrodo positivo) separati da un separatore e un elettrolita. 

L’elettrolita, una soluzione come un sale di litio, facilita il trasferimento di ioni tra catodo e anodo. Questo movimento ionico guida il flusso di elettroni attraverso un circuito esterno, creando energia elettrica per alimentare il dispositivo collegato.

Durante la scarica, quando la batteria è in uso, l’anodo rilascia ioni Li al catodo. Quando è in carica, cioè collegata alla fonte di energia, il catodo rilascia gli ioni di litio all’anodo. A basse temperature, il movimento degli ioni rallenta, riducendo la potenza della batteria e la velocità di ricarica.

Per estendere l’autonomia di un EV, cioè la distanza che può percorrere con una singola carica, i costruttori hanno adottato l’approccio di aumentare lo spessore dell’elettrodo. Questo ha permesso ai produttori di offrire viaggi più lunghi prima della necessità di ricaricare, ma rende anche più difficile l’accesso a parte del litio, il che porta a una ricarica più lenta e a meno potenza per un dato peso della batteria.

Il team della U‑M precedentemente migliorato² la capacità di ricarica della batteria creando percorsi nell’anodo, ciascuno di 40 micron di dimensione. I canali hanno funzionato come percorsi di diffusione per un rapido trasporto ionico.

Per questo, hanno mostrato un processo di laser‑patterning per produrre architetture di anodi in grafite 3D. Con questo processo, hanno colpito la grafite con laser, consentendo agli ioni Li di trovare più rapidamente i luoghi dove depositarsi. Penetrando in profondità nell’elettrodo, hanno garantito una ricarica più uniforme.

Durante i test, il loro design ha mostrato una ritenzione di capacità del 91% e dell’86% dopo 600 cicli di ricarica a 4C e 6C, rispettivamente. Il loro design dell’anodo 3D ha inoltre permesso alle celle di accedere a più del 90% della capacità durante la ricarica rapida.

Nonostante l’accelerazione considerevole della ricarica a temperatura ambiente, la ricarica a basse temperature è rimasta inefficiente. Ciò era dovuto allo strato chimico che si forma sulla superficie dell’elettrodo a seguito della reazione con l’elettrolita.

“Quella placcatura impedisce la carica dell’intero elettrodo, riducendo nuovamente la capacità energetica della batteria.” 

– Co‑autore dello studio Manoj Jangid, senior research fellow in mechanical engineering at U‑M.

La soluzione a questo problema è stata impedire la formazione dello strato superficiale, ottenuta rivestendo la batteria con un materiale a base di borato‑carbonato di litio. Il rivestimento, con uno spessore di circa 20 nm, ha accelerato la ricarica a freddo.

Quando questo è stato combinato con i canali, le celle di prova hanno mostrato una ricarica più veloce del 500% a temperature sotto lo zero.

“Grazie alla sinergia tra le architetture 3‑D e l’interfaccia artificiale, questo lavoro può affrontare simultaneamente il trilemma della ricarica rapida a basse temperature per la guida a lungo raggio.”

– Primo autore Tae Cho, neolaureato dottorato in ingegneria meccanica

Il lavoro successivo per sviluppare un processo pronto per la fabbrica è finanziato dalla Michigan Economic Development Corporation.

Il team di ingegneria della U‑M ha anche richiesto la protezione brevettuale. Nel frattempo, Arbor Battery Innovations — un’entità in cui sia Dasgupta sia l’Università hanno un interesse finanziario — ha licenziato la tecnologia dei canali e sta ora lavorando alla sua commercializzazione.

Azienda Innovativa

Ford Motor  

Adesso, se guardiamo a un’azienda innovativa nel mondo delle batterie e degli EV, il valore di mercato di $875,5 miliardi di Elon Musk Tesla è il nome più prominente, ma sta attraversando un periodo difficile. Le sue azioni sono in calo del 32,6% YTD e vengono scambiate a 261,23. L’azienda, che non paga dividendi, ha anche subito un calo del 13% nel 1T 2025 nelle consegne di veicoli (336.681) rispetto all’anno precedente. Durante questo trimestre, Tesla ha affrontato boicottaggi, proteste e persino atti criminali a causa del coinvolgimento del CEO Musk nell’amministrazione Trump.

Poi c’è il valore di mercato di $7,1 miliardi di Albemarle Corporation (ALB ) , uno dei più grandi produttori di litio e fondamentale per la catena di approvvigionamento delle batterie al litio‑ion. Le azioni di ALB sono anche in calo di quasi il 30% YTD, sebbene paghi un rendimento da dividendo del 2,68%.

Nell’infrastruttura EV, ChargePoint (CHPT ), che ha un valore di mercato di $273,3 milioni, sta affrontando anche un ambiente difficile. I suoi ricavi sono diminuiti e le sue azioni sono in calo del 44,25% YTD, scambiando a $0,60.

Ci sono quindi aziende che stanno realmente facendo bene? Beh, BYD e CATL, con sede in Cina, lo sono sicuramente.

Il produttore cinese di automobili e batterie sta registrando una crescita finanziaria sostanziale, riportando un fatturato annuo di $107 miliardi per il 2024, superando Tesla. “BYD è diventata leader di settore in ogni ambito, dalle batterie, all’elettronica, ai veicoli a nuova energia, rompendo il dominio dei marchi esteri e rimodellando il nuovo panorama del mercato globale,” ha dichiarato il presidente di BYD Wang Chuanfu.

Nel 1T25, nel frattempo, BYD ha venduto quasi un milione di veicoli passeggeri, un aumento del 58,7% rispetto al 1T24. Poco più di 200 000 di questi veicoli sono stati esportati all’estero, con un incremento del 110,5% rispetto al 1T24. Anche le sue azioni sono salite di un impressionante 28,77% YTD, scambiando a $43,78 e pagando un rendimento da dividendo dell’1%.

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) è un altro importante produttore cinese di batterie che è pronto a ricevere l’approvazione dalla Borsa di Hong Kong per una quotazione da $5 miliardi che rafforzerà la sua posizione finanziaria e supporterà i suoi piani di espansione.

Al di fuori della Cina, il costruttore tedesco Volkswagen AG (VOW.DE ) (VOW3.DE ) ha anche registrato notevoli progressi, riportando un aumento dell’1,4% nelle consegne globali a 2,13 milioni di unità nel primo trimestre del 2025. Questo balzo è guidato dalla crescita in Europa e nelle Americhe, mentre le consegne nel mercato cinese sono diminuite del 7,1%. Tuttavia, i profitti operativi dovrebbero essere inferiori a causa di un calo nel mercato statunitense per timori di recessione globale. L’azienda prevede inoltre di aumentare i prezzi dopo l’entrata in vigore dei dazi automobilistici del 25% di Trump.

Tornando al mercato statunitense, qui Ford è destinata a guadagnare quote di mercato come produttore automobilistico americano, che produce la stragrande maggioranza delle sue auto in patria. Fondata da Henry Ford nel 1903, l’azienda è ben posizionata per beneficiare dei piani del presidente Trump. Secondo il presidente Andrew Frick:

“Assembliamo più veicoli negli Stati Uniti e impieghiamo più operai orari statunitensi rispetto a qualsiasi altro. Vogliamo fare di più, non di meno, qui negli Stati Uniti.”

L’azienda ha recentemente lanciato un’offerta sconto a tempo limitato nell’ambito della campagna ‘From America, For America’ per attrarre più acquirenti mentre altri produttori aumentano i prezzi per coprire i dazi più elevati.

“Abbiamo l’inventario al dettaglio per farlo e molte scelte per i clienti che hanno bisogno di un veicolo,” ha dichiarato Ford in una dichiarazione, citando “tempi incerti” e “complessità di un’economia in cambiamento” come motivi alla base della decisione.

Ora, con una capitalizzazione di mercato di $37,7 miliardi, le azioni Ford, al momento della stesura, sono scambiate a $8,91, in calo solo del 4% quest’anno. Con ciò, il suo EPS (TTM) è 1,46, il rapporto P/E (TTM) è 6,51 e il ROE (TTM) è 13,42%. Inoltre paga un attraente rendimento da dividendo del 6,32%.

Per il 1T 2025, Ford ha riportato un calo dell’1,3% nelle vendite negli Stati Uniti a 501.291 unità, dovuto alla sospensione di alcuni modelli.

Ciò avviene dopo che Ford ha superato le aspettative per il quarto trimestre del 2024, sebbene il CEO Jim Farley abbia previsto un anno più difficile per l’azienda, ma sono promessi miglioramenti nei costi e nella qualità.

Per quest’anno, Ford prevede che l’EBIT (utile prima di interessi e tasse) rettificato sarà compreso tra $7 miliardi e $8,5 miliardi e il flusso di cassa libero rettificato tra $3,5 miliardi e $4,5 miliardi, presumendo “venti contrari legati a fattori di mercato.”

Per il 2024, nel frattempo, il fatturato totale dell’azienda è stato di $185 miliardi, l’utile netto di $5,9 miliardi, ovvero $1,46 per azione, e il flusso di cassa libero rettificato è stato di $6,7 miliardi.

Ford sta anche facendo progressi significativi nel mercato EV, con circa 97.865 veicoli completamente elettrici venduti nel 2024, un aumento del 35% su base annua. Le sue vendite di ibridi sono aumentate del 40% a 187.426 unità. Nel 1T25, nel frattempo, le sue vendite EV hanno raggiunto un record di 73.623. Questa crescita del 26% è stata guidata dagli ibridi, in aumento del 33%, e dai veicoli elettrici, in aumento del 12%.

Conclusione

Le batterie, componente critica degli EV, hanno subito miglioramenti significativi. Tuttavia, la tecnologia delle batterie affronta ancora diverse sfide, come costi elevati, carenze di approvvigionamento di materiali, autonomia limitata, tempi di ricarica lunghi, mancanza di infrastrutture, preoccupazioni sulla sicurezza e corretta gestione del riciclaggio e dei rifiuti. 

L’ultimo studio, con il suo rivestimento stabilizzante e i canali microscopici, sta contribuendo a risolvere il compromesso tra autonomia e velocità di ricarica, anche a temperature gelide.

Migliorando significativamente le velocità di ricarica, questo studio dimostra il potenziale per rimuovere uno dei principali ostacoli all’adozione degli EV — l’ansia da autonomia e i lunghi tempi di ricarica in inverno. Ciò può contribuire ad accelerare non solo l’uso degli EV ma anche la più ampia tendenza all’elettrificazione. Tuttavia, l’implementazione su larga scala del processo richiederebbe il mantenimento della convenienza economica e della sicurezza.

Nel complesso, mentre l’industria avanza verso batterie più veloci, più efficienti e più sicure, innovazioni come questa aiuteranno a superare gli ultimi ostacoli alla piena elettrificazione, conducendo a un futuro più verde e più pulito.

Clicca qui per un elenco delle principali azioni EV.

Studi citati:

1. ​Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Abilitare la ricarica rapida 6C delle batterie Li‑ion a temperature sotto zero tramite ingegneria dell’interfaccia e architetture 3D. Joule, Pubblicato online 17 marzo 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). Ricarica rapida efficiente delle batterie al litio‑ion abilitata da architetture di anodi in grafite tridimensionale laser‑patterned. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475