Più sicure, più economiche e più potenti? La promessa delle batterie alluminio

Le batterie ad alta capacità che si ricaricano più velocemente e durano più a lungo sono fondamentali per alimentare il futuro dell’elettronica portatile, dei veicoli elettrici e dello stoccaggio energetico a lungo termine.

Negli ultimi decenni, le batterie agli ioni di litio hanno dominato questo settore. Un tipo di batteria ricaricabile, le batterie agli ioni di litio si caricano e si scaricano mediante il movimento di questi ioni tra gli elettrodi positivi e negativi, cioè anodi e catodi.

Il litio metallico utilizzato in queste batterie è morbido, argentato e altamente reattivo. Ha la densità più bassa di tutti i metalli ed è presente nei composti come minerale, con il Cile che ne è il maggior produttore. Il Cile possiede anche le più grandi riserve di litio, seguite da Australia e Cina; quest’ultima è anche leader nelle batterie agli ioni di litio.

Queste batterie richiedono in realtà enormi quantità di acqua ed energia per la produzione. Sono anche molto difficili da riciclare.

Quindi, sebbene le batterie agli ioni di litio abbiano dimostrato le loro prestazioni in elettronica di consumo portatile come smartphone, laptop e altri dispositivi manuali, così come in veicoli elettrici e sistemi di accumulo per il backup dell’energia solare, il mercato sta ora cercando materiali che possano superare il litio e alimentare la prossima generazione di dispositivi, veicoli a lungo raggio, aeromobili elettrici e stoccaggio a livello di rete.

Ciò ha spinto i ricercatori verso l’alluminio, che mostra prestazioni promettenti per batterie più sicure, più economiche e più potenti.

Il potenziale dell’alluminio nel far progredire le batterie 

Gli sforzi per sviluppare batterie ricaricabili al alluminio sono in corso da decenni, ma hanno guadagnato un’importante trazione nell’ultimo decennio circa. L’aumento dell’attenzione e della ricerca ha permesso alle batterie Al-ion di raggiungere tassi eccezionali di carica e scarica. 

Tutti gli sviluppi legati alle batterie Al-ion sono significativi grazie ai vantaggi superiori che questo metallo elettropositivo offre. 

Le proprietà uniche dell’alluminio includono leggerezza, resistenza alla corrosione e alta conduttività termica. 

Questa versatilità ha reso il metallo estremamente utile in una vasta gamma di applicazioni in diversi settori, in particolare nei trasporti. Il metallo è ampiamente impiegato nella produzione di automobili, aeroplani e treni perché è leggero e resistente, il che contribuisce a migliorare l’efficienza del carburante e a ridurre le emissioni. 

Un’altra importante applicazione dell’alluminio è nell’industria delle costruzioni, poiché è facile da lavorare e ha la capacità di resistere a condizioni ambientali difficili. L’alluminio è inoltre ampiamente utilizzato nell’imballaggio, nell’aerospazio, nell’industria chimica, militare ed elettrica.

La bassa densità e la buona conduttività elettrica rendono l’alluminio ideale per la produzione di conduttori elettrici, dispositivi come computer, smartphone e televisori, e per l’uso nelle linee elettriche aeree.

Ancora più importante, l’alluminio è l’elemento metallico più abbondante nella crosta terrestre. Essendo un metallo a basso costo, il suo impiego nelle batterie ricaricabili può ridurre notevolmente il costo delle batterie, soprattutto per sistemi di backup economici e su larga scala per lo stoccaggio di energia rinnovabile.

Le batterie agli ioni di litio sono ancora troppo costose per queste applicazioni. Oltre al prezzo elevato, queste batterie contengono un elettrolita infiammabile che crea un problema di sicurezza. Il metallo più abbondante sulla Terra e il secondo più abbondante commercialmente (dopo il ferro) rappresenta qui un’alternativa adatta.

Oltre ad essere economico, l’alluminio possiede anche un’alta capacità volumetrica, quattro volte superiore a quella del litio e sette volte superiore a quella del sodio. Questo dimostra il potenziale dell’alluminio nel migliorare la densità energetica delle batterie per unità di volume.

Inoltre, l’alluminio è non infiammabile, il che ne supporta ulteriormente l’adozione come elettrodo. L’uso di questo metallo elimina anche la complessità di uno strato interfaciale comunemente osservato nei sistemi agli ioni di litio. 

Ciò non significa che l’alluminio sia privo di difetti. La passivazione, la corrosione e l’evoluzione dell’idrogeno nei sistemi di batterie agli ioni di alluminio hanno limitato la loro applicazione. Un’altra sfida per le batterie agli ioni di alluminio è la scelta dei materiali dell’anodo a causa dell’alta densità di carica degli ioni Al3+, che provoca una cinetica di diffusione lenta, limitando così la capacità di carica della batteria. 

Nonostante queste sfide, le batterie agli ioni di alluminio sono un candidato promettente per lo stoccaggio energetico su larga scala grazie alla loro alta capacità specifica, basso costo, leggerezza, buona sicurezza e abbondanza naturale dell’alluminio.

Esplorare le batterie alluminio-ione per l’uso nel mondo reale

L’esplorazione dell’alluminio nelle batterie è in corso da tempo a causa della necessità di nuove chimiche di batterie per soddisfare la domanda di alta energia da parte di aeromobili che devono volare a lunghe distanze e di sistemi di stoccaggio di energia su scala di utilità. Le batterie convenzionali semplicemente non contengono energia sufficiente per alimentare questi sistemi.

Circa un decennio fa, i ricercatori della Stanford University hanno rivelato per la prima volta che una batteria alluminio-ione può essere stabile e ciclarla per lungo tempo. Questa batteria Al-ion può essere completamente caricata in un minuto e attraversare fino a 7.500 cicli di carica/scarica con poca perdita di capacità.

Uno studio condotto da ricercatori dell’Università del Queensland, Australia, alla fine dello scorso anno ha affrontato l’ostacolo tecnico con un componente AIB¹ chiamato interfaccia solido-elettrolitica.

Una batteria Al-ion, proprio come le batterie agli ioni di litio, ha un anodo, un catodo e un elettrolita, che trasporta gli ioni di alluminio che fluiscono tra gli elettrodi carichi positivamente e quelli carichi negativamente. 

Durante la scarica, gli ioni si spostano dall’anodo al catodo per generare energia, e durante la carica della batteria, il processo si inverte per immagazzinare energia. Per le batterie Al-ion, si verificano instabilità durante i cicli di carica e scarica a causa della formazione di dendriti che causano cortocircuiti, portando al guasto della batteria.

La risposta, secondo la ricerca, è che le batterie alluminio-ione necessitano di pre-ciclaggio, proprio come le batterie agli ioni di litio, per massimizzare la loro durata. Comprendere queste esigenze di pre-ciclaggio uniche può portare a progetti migliori che consentono a una batteria di durare più a lungo e di funzionare in modo più affidabile, avvicinandole così alle applicazioni nel mondo reale.

In un’altra ricerca di qualche anno fa, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno utilizzato fogli di alluminio per creare batterie che potrebbero consentire ai veicoli elettrici di percorrere distanze più lunghe con una singola carica.

In questo studio, i ricercatori hanno aggiunto piccole quantità di oltre 100 materiali diversi all’alluminio per creare fogli con microstrutture specifiche. L’anodo di alluminio è stato in grado di immagazzinare più litio rispetto ai tradizionali materiali dell’anodo, il che significa più energia, portando alla creazione di batterie ad alta densità energetica.

Queste ricerche sulle batterie alluminio hanno un enorme potenziale nell’aprire la porta a tecnologie di batterie più potenti per alimentare il futuro.

Nuovo design per estendere la vita delle batterie al alluminio

Considerati i numerosi vantaggi delle batterie alluminio-ione, più recentemente, un nuovo studio pubblicato² su ACS Central Science ha progettato una batteria Al-ion economica e rispettosa dell’ambiente che può contribuire a sostenere la transizione verso energia sostenibile e pulita.

Con la spinta globale verso la sostenibilità, lo studio ha sottolineato la necessità di esplorare risorse abbondanti e rinnovabili per i progressi nelle tecnologie di batterie per lo stoccaggio energetico, al fine di promuovere lo sviluppo sostenibile.

Pertanto, i ricercatori si sono rivolti alle batterie ricaricabili alluminio-ione (AIB) con elettroliti a liquido ionico a base di cloroalluminato a temperatura ambiente non infiammabili. La loro ampia adattabilità termica, la lunga durata di ciclo e la sicurezza eccezionale rendono le AIB altamente adatte a sistemi capaci di immagazzinare energia su larga scala. 

Ma, naturalmente, gli elettroliti tradizionali a liquido ionico nelle AIB presentano vulnerabilità notevoli. Con il loro nuovo framework, i ricercatori mirano a superare il problema della corrosione dell’elettrolita più comune usato nelle batterie Al-ion. 

L’elettrolita — cloruro di alluminio liquido — non solo corrode l’anodo di alluminio, ma aggrava la condizione a causa dell’alta sensibilità all’umidità. Questo contribuisce a una scarsa stabilità, provocando un calo delle prestazioni elettriche nel tempo. 

Per rimuovere questa limitazione, i ricercatori hanno introdotto un sale inerte di alluminio fluoruro nell’elettrolita contenente un ione Al, trasformandolo in un elettrolita allo stato solido. La struttura porosa 3D del sale di alluminio fluoruro consente agli ioni di alluminio di saltare facilmente attraverso l’elettrolita e aumentare la conduttività. 

I ricercatori hanno anche utilizzato fluoroetilene carbonato come additivo d’interfaccia. Un sottile rivestimento solido di questo composto sugli elettrodi ha aiutato a prevenire la formazione di cristalli di alluminio e, di conseguenza, ha protetto lo stato della batteria dal deterioramento.

Con questi due componenti, il team è riuscito a migliorare la resistenza all’umidità della batteria insieme alla sua stabilità termica e fisica. Questo ha permesso alla batteria Al-ion allo stato solido di resistere a temperature fino a 392 gradi Fahrenheit (o 200 gradi Celsius). È anche rimasta intatta di fronte a colpi ripetuti da un oggetto appuntito.

Per quanto riguarda la durata di questa batteria, lo studio ha riscontrato una durata eccezionalmente lunga. La batteria alluminio-ione allo stato solido ha raggiunto fino a 10.000 cicli di carica e scarica con una perdita inferiore all’un percento della capacità originale. 

Inoltre, la maggior parte del fluoruro di alluminio utilizzato può essere recuperata con un semplice lavaggio. L’AlF3 può quindi essere riciclato in un’altra batteria con prestazioni solo leggermente ridotte, riducendo ulteriormente i costi di produzione della batteria.

“Questo nuovo design di batteria Al-ion mostra il potenziale per un sistema di stoccaggio energetico a lunga durata, economico e ad alta sicurezza. La capacità di recuperare e riciclare i materiali chiave rende la tecnologia più sostenibile.”

– Wei Wang, Laboratorio Statale Chiave di Metallurgia Avanzata, Università di Scienza e Tecnologia di Pechino, Cina

La nuova batteria aumenta la praticità delle batterie Al-ion riducendo i costi di produzione e prolungando la loro vita, ma sono ancora necessari ulteriori miglioramenti nella densità energetica, nella stabilità dell’elettrolita e nel ciclo di vita per la commercializzazione di questa batteria.

Clicca qui per scoprire uno studio che ha sfatato i miti sull’invecchiamento delle batterie.

Principali attori nel mercato delle batterie

L’emergere di promettenti tecnologie di batterie di nuova generazione offre miglioramenti significativi in termini di densità energetica, sicurezza, costo e durata rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Si prevede che trasformino le esigenze energetiche, guidate da innovazioni che affrontano le limitazioni delle tecnologie attuali. 

Quindi, diamo ora un’occhiata alle aziende che stanno spingendo i confini della tecnologia delle batterie e che potranno registrare una crescita enorme nei prossimi anni.

1. QuantumScape (QS )

Mentre il mondo esplora alternative, le batterie a base di litio continuano a essere al comando per ora. In questo contesto, QuantumScape Corporation è tra le principali aziende di batterie che sviluppano tecnologie di batterie allo stato solido al litio-metallo per veicoli elettrici e altre applicazioni. 

Con le batterie al litio tradizionali che si avvicinano al loro limite, l’azienda ha sviluppato quella che definisce la prima progettazione di cella senza anodo del settore, per offrire alta densità energetica, costi ridotti dei materiali e produzione semplificata. 

A differenza delle batterie al litio convenzionali che hanno un separatore polimerico, QuantumScape utilizza un separatore allo stato solido. Questo consente la sostituzione dell’anodo in carbonio o silicio con un anodo in litio-metallo, più denso di energia e quindi capace di immagazzinare una maggiore quantità di energia nello stesso volume. Nel design di QuantumScape, la batteria è prodotta senza anodo e in stato scarico.

Secondo QuantumScape, la sua cella prototipo A0 a 24 strati ha completato oltre 1.000 equivalenti di cicli completi di carica-scarica con oltre il 95% di ritenzione energetica. A ottobre, l’azienda ha presentato il suo primo prodotto commerciale previsto, QSE-5, per applicazioni automobilistiche. La cella B-sample QSE-5, la cui produzione a basso volume è iniziata, ha un’energia di cella misurata di 21,6 Wattora (Wh). Le celle QSE-5 possono caricarsi dal 10% all’80% in circa 12 minuti.

Con una capitalizzazione di mercato di 2,62 miliardi, le azioni di QuantumScape attualmente scambiano a $5,13, in calo dell’1,16% YTD. Il suo EPS (TTM) è -0,95 e il rapporto P/E (TTM) è -5,38.

Per gli ultimi risultati finanziari trimestrali riportati, cioè Q3 2024, l’azienda ha avuto spese in conto capitale per 17,9 milioni di dollari, mentre le spese operative GAAP ammontavano a 130,2 milioni di dollari e la perdita netta GAAP è stata di 119,7 milioni di dollari. La liquidità alla fine del trimestre era di 841 milioni di dollari.

QuantumScape ha anche collaborato con il produttore di batterie di Volkswagen, PowerCo, per portare la tecnologia QSE-5 alla produzione di massa.

Durante questo periodo, l’azienda ha segnalato di aver implementato con successo la sua nuova tecnologia di produzione del separatore chiamata Raptor. Poi, a dicembre, l’azienda ha annunciato il rilascio di Cobra, che QuantumScape afferma la metterà sulla buona strada per fornire campioni a volume più elevato di QSE-5 quest’anno. Cobra è anche considerato un passo importante verso la commercializzazione delle sue batterie allo stato solido per veicoli elettrici.

2. Solid Power (SLDP )

Fondata nel 2011, Solid Power è nata come spin-off dall’Università del Colorado Boulder con finanziamenti da DARPA. Nel corso degli anni, ha ottenuto contratti dall’Aeronautica e ha firmato un accordo con il Dipartimento dell’Energia.

Nel 2018, l’azienda ha avuto il suo primo round di finanziamento basato su equity, e nel 2021 ha annunciato un round di investimento da 135 milioni di dollari guidato da BMW Group, Ford Motor Company e Volta Energy Technologies.

Sia Ford che BMW Group hanno da allora ampliato i loro accordi di sviluppo congiunto esistenti con Solid Power per garantire tutte le batterie allo stato solido per i loro futuri veicoli elettrici. Nell’anno precedente, Solid Power aveva prodotto celle al litio metallico da 320 Wh/kg e 20 Ah, che ha riportato superare l’energia specifica delle batterie al litio disponibili commercialmente.

L’azienda è coinvolta nello sviluppo della tecnologia di batterie tutto solido di nuova generazione, che, secondo loro, ha il potenziale di rivoluzionare i futuri mercati dell’energia mobile. Il loro focus è particolarmente sui solidi elettroliti a base di solfuri per veicoli elettrici, con un obiettivo di costo di 85 $/kWh. L’obiettivo è scalare la produzione di elettroliti per alimentare 800.000 veicoli elettrici con le loro celle batteria annualmente entro il 2028.

Con una capitalizzazione di mercato di 268,77 milioni, le azioni di Solid Power attualmente scambiano a $1,50, in calo del 21,16% YTD. L’azienda ha iniziato a quotarsi al Nasdaq solo a dicembre 2021. Il suo EPS (TTM) è -0,47 e il rapporto P/E (TTM) è -3,14.

Per i suoi più recenti risultati finanziari riportati, Q3 2024, Solid Power ha consegnato 4,7 milioni di dollari di ricavi, una diminuzione di 1,7 milioni di dollari rispetto allo stesso trimestre dell’anno precedente. Questo calo di ricavi è dovuto principalmente al completamento dei suoi traguardi con BMW. Le spese operative per il periodo sono aumentate a causa dei costi di produzione più alti, dei costi di sviluppo della cella e dell’elettrolita, della scalabilità operativa e delle esecuzioni. Tuttavia, la sua posizione di liquidità è rimasta solida, poiché SolidPower ha chiuso il trimestre con 348,1 milioni di dollari di liquidità totale.

Durante questo periodo, l’azienda ha iniziato a lavorare nel suo centro di innovazione degli elettroliti (EIC) per migliorare i processi di produzione del suo elettrolita pre-pilota.

Più recentemente, Solid Power ha annunciato di aver ottenuto fino a 50 milioni di dollari di finanziamento dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la produzione continua di materiali di elettroliti solidi a base di solfuri. Come parte di un Accordo di Assistenza, Solid Power contribuirà con 60 milioni di dollari dei propri fondi per supportare l’installazione delle attrezzature, il che dovrebbe rafforzare la scala produttiva dell’azienda.

Conclusione 

Le batterie agli ioni di litio continuano a dominare molti dispositivi elettronici di consumo comuni, veicoli elettrici e sistemi di accumulo energetico (ESS). L’adozione crescente di queste batterie è dovuta alla loro alta densità energetica e a sistemi di produzione industriale maturi, ma se vogliamo integrare fonti di energia abbondanti e rinnovabili nella rete elettrica, dobbiamo trovare soluzioni migliori.

Lo stoccaggio a lungo termine dell’energia solare e eolica richiede grandi batterie, ma le batterie Li-ion risultano proibitive in termini di costi per questo compito. Inoltre, la loro infiammabilità comporta un notevole rischio di sicurezza. Un potenziale sostituto per sistemi di accumulo energetico affidabili su larga scala sono le batterie ricaricabili Al-ion, che offrono un’alternativa promettente grazie al loro costo inferiore, alla maggiore sicurezza e all’alta capacità volumetrica. 

Con i progressi nella stabilità dell’elettrolita e nella durata delle batterie, le batterie alluminio-ione potrebbero svolgere un ruolo chiave nello stoccaggio energetico su larga scala, nei veicoli elettrici e oltre. Sebbene rimangano sfide nella loro fattibilità commerciale, la ricerca in corso sta avvicinando queste batterie alle applicazioni reali e potrebbe presto soddisfare la futura necessità sociale di batterie ad alta densità energetica e a prezzi accessibili.

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