Il Futuro della Mobilità – Tecnologia delle Batterie

L’ascesa dei VE

Quando Tesla (TSLA ) è stata fondata nel 2003, l’idea delle auto elettriche era per lo più considerata uno scherzo. A quel punto, ogni auto elettrica era essenzialmente un golf cart ingrandito, con scarsa autonomia della batteria, basso comfort, dimensioni ridotte e velocità massima molto bassa.

La Tesla Roadster (1^st generazione, come ci si aspetta una nuova versione nel 2026) ha completamente cambiato questa percezione, con le prestazioni di un’auto sportiva di lusso, rendendo le auto elettriche (VE) improvvisamente alla moda.

La parte fondamentale che ha reso i VE improvvisamente fattibili è stato il progresso nella tecnologia delle batterie. Inizialmente, questo si basava sulle batterie agli ioni di litio progettate per il piccolo mercato elettronico. E presto, sono stati sviluppati sistemi più dedicati per dare ai VE maggiore autonomia.

Da un volume ridotto anche nel 2016, le auto elettriche (VE) sono ora una parte in crescita esponenziale delle vendite globali, con oltre 10 milioni di auto elettriche vendute nel 2022, ovvero il 14% delle vendite globali, con la Cina e l’Europa in testa.

Vendite globali di VE – Fonte: IEA

Tuttavia, nonostante questo progresso, rimangono alcune domande aperte sull’adozione dei VE. Le vendite di VE sono rallentate a causa dell’alta inflazione e della necessità di convincere il pubblico generale, non solo i primi adottanti. Questo ha recentemente portato a posticipare o cancellare la strategia dei VE da parte dei principali produttori, come GM, Ford o Honda.

Le Limitazioni Attuali

I primi appassionati di VE erano felici di utilizzare veicoli che potessero essere più carbon‑neutral e rappresentassero una nuova tecnologia. Gli acquirenti meno attenti all’ambiente sono ancora in parte scettici nei confronti dei VE per vari motivi:

• Prezzo: La maggior parte dei VE costa ancora più dei loro equivalenti a motore a combustione interna (ICE). Con l’aumento dei tassi di interesse, ciò può rendere i VE troppo costosi per molte persone.
• Ansia da autonomia: Un modo per ridurre il prezzo di un VE è scegliere l’opzione di batteria più piccola. Tuttavia, un’autonomia inferiore può rendere difficili i viaggi lunghi, e il tempo di ricarica può essere lungo.
• Clima freddo: Più il clima è freddo, più le batterie ne risentono. La maggior parte dei VE deve rimanere in carica durante le notti invernali se non è in un garage caldo. Inoltre, il freddo riduce l’autonomia teorica dei VE.
• Infrastruttura di ricarica: Le persone che vivono in appartamenti potrebbero trovare difficile ricaricare i loro VE se non ci sono sufficienti stazioni di ricarica pubbliche disponibili. Lunghe code, ricarica lenta o assenza di stazioni vicine possono creare un’esperienza negativa.
• Sicurezza e durata della batteria: Le batterie agli ioni di litio immagazzinano molta energia. E gli elettroliti nella batteria sono molto infiammabili. Questo rende le batterie potenzialmente un rischio per la sicurezza, soprattutto in ambienti chiusi come i parcheggi sotterranei. Non è che le auto a ICE siano non infiammabili, ma è comunque una preoccupazione.
• Rete elettrica: Sebbene non sia davvero una preoccupazione per gli acquirenti di VE, può diventare un problema per l’intero settore. Le reti elettriche sono già in parte sovraccariche e potrebbero non gestire bene milioni di veicoli che necessitano di ricarica. La fonte dell’elettricità è anche un problema, poiché gran parte proviene da combustibili fossili, incluso il carbone.

La maggior parte dei problemi dei VE attuali può essere risolta con batterie migliori. Ricarica lenta, autonomia troppo bassa, problemi di sicurezza, sensibilità al freddo e persino il prezzo sono tutte caratteristiche delle attuali batterie agli ioni di litio.

Ricercatori e leader del settore stanno lavorando duramente per risolvere queste carenze, sia migliorando il design esistente sia inventando nuovi modi per costruire le batterie.

In generale, batterie più dense significano batterie più economiche e più sicure, che hanno anche maggiori probabilità di durare più a lungo e di caricarsi più rapidamente.

Migliorare le Batterie al Litio

Il primo passo è migliorare le batterie esistenti e capitalizzare sulla ricchezza di conoscenze ed esperienze con questa tecnologia. Alcuni ricercatori vedono la generazione attuale di batterie ancora migliorabile incrementalmente fino al 2030: “Prospects for lithium-ion batteries and beyond—a 2030 vision”.

La prima parte è migliorare la catodo della batteria, attualmente per lo più composta da litio e nichel nelle batterie agli ioni di litio. Una comprensione più profonda della struttura cristallina e dei cambiamenti chimici quando una batteria invecchia potrebbe migliorare tutte le specifiche delle batterie.

Gli anodi, attualmente fatti di grafite, potrebbero essere sostituiti da silicio o ossido di silicio 5x-10x più denso di energia. Finora è stato difficile, poiché gli anodi di silicio tendono a “invecchiare” troppo rapidamente. Le miscele grafite‑silicio stanno già diventando più comuni e potrebbero aiutare a incrementare l’energia totale delle batterie.

Modificare gli elettroliti che collegano anodo e catodo potrebbe anche aiutare. Nuovi tipi di solventi liquidi, elettroliti più concentrati, o forse anche elettroliti gelatinosi potrebbero migliorare il profilo di sicurezza e aumentare la densità della batteria.

Infine, un design migliore è un’opzione per ottimizzare la relazione tra batterie e VE. Molti produttori di VE stanno iniziando a utilizzare le cosiddette batterie strutturali che sono sia sistemi di accumulo di energia sia componenti strutturali del veicolo. Questo può ridurre il peso totale dell’auto, portando a maggiore efficienza e autonomia. Rolls‑Royce, Tesla e Volvo stanno già lavorando su questa idea, che potrebbe aumentare l’autonomia del 16%.

Batterie a Stato Solido

Lungo tempo teorizzate e lentamente realizzate in laboratorio, le batterie a stato solido sono spesso descritte come il Santo Graal della tecnologia delle batterie.

L’idea è di eliminare completamente la necessità di elettroliti liquidi, riducendo notevolmente il peso della batteria e aumentando drasticamente la sua densità. Rimuovere l’elettrolita infiammabile dovrebbe rendere la batteria molto più sicura. Rimuovere l’elettrolita dovrebbe anche semplificare il processo di produzione; rimuovendo fino a 3 settimane nella linea di produzione.

Infine, tali design promettono quasi una ricarica completa in 3‑5 minuti, o circa lo stesso tempo necessario per fare il pieno di benzina.

Molte aziende stanno parlando di lanciare la propria versione di batterie a stato solido già nel 2026‑2029. Questo include QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) e Samsung SDI (006400.KS). Per ora, Tesla (TSLA) sta lavorando su una propria alternativa alle batterie a stato solido, le celle batteria 4680 basate sulla tecnologia agli ioni di litio.

Problemi delle Batterie a Stato Solido

Lo sviluppo delle batterie a stato solido è stato ostacolato dalle difficoltà di scalare i prototipi di laboratorio a prodotti di produzione di massa. Una produzione affidabile, automatizzata e a basso costo è ancora in fase di sviluppo, e la tempistica per l’arrivo sul mercato delle batterie a stato solido è probabilmente nell’orizzonte 2026‑2028 al meglio.

Fonte: Vertex Holdings

Infine, le batterie a stato solido utilizzeranno molto più litio rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, qualcosa che potrebbe causare una ripetizione del prezzo astronomico del litio nel 2022, quando è aumentato di 10 volte in 2 anni. Il riciclaggio potrebbe anche essere difficile.

Batterie “Condensate”

Forse non dobbiamo attendere le batterie a stato solido per vedere batterie ad altissima densità. CATL ha annunciato la creazione di una batteria “condensed matter”, capace di raggiungere 500 Wh/kg. L’azienda afferma anche la possibilità di raggiungere la produzione di massa in breve tempo, il che, provenendo dal leader del settore e non da una piccola startup, è probabilmente credibile.

Questo è un livello di densità precedentemente ritenuto raggiungibile solo dalle batterie a stato solido. È anche il livello richiesto per iniziare a considerare aerei elettrici e altre applicazioni finora impossibili da elettrificare.

Chimiche Alternative per le Batterie

Esistono molte possibili alternative al litio‑ione per creare una batteria. Ma solo poche chimiche di batteria avranno il giusto mix di leggerezza, alta densità e sicurezza per essere adatte all’uso in applicazioni mobili.

Nel lungo periodo, alcune di queste batterie alternative potrebbero persino sostituire le più costose batterie al litio, almeno per il mercato automobilistico di massa più sensibile al prezzo.

Batterie al Fosfato di Litio‑Ferro (LFP)

Le batterie LFP sono state per molto tempo escluse dalle applicazioni di mobilità a causa della loro bassa densità energetica, tipicamente del 30‑40% inferiore rispetto a una classica batteria agli ioni di litio. L’ultima versione di questa chimica sta ora raggiungendo il livello di densità delle batterie agli ioni di litio di generazione precedente, rendendole praticabili per veicoli a basso costo.

Un grande vantaggio del LFP è che non richiedono nichel o cobalto, entrambi responsabili del prezzo delle classiche batterie agli ioni di litio. Al contrario, ferro e fosfato sono abbondanti e economici. Le LFP tendono anche a durare più a lungo, riducendo ulteriormente il costo totale di vita del sistema batteria.

Il principale produttore di LFP è la cinese CATL (300750.SZ), insieme a BYD (BYDDF), anche se l’azienda sta ora valutando altre opzioni per mantenere la sua posizione di produttore di metà delle batterie mondiali.

Tuttavia, non trascurare il mercato LFP dopo la rivelazione nell’agosto 2023 di una batteria LFP da 700 km che può ricaricare 400 km di autonomia in soli 10 minuti.

Sodio‑Ione

Oltre a cobalto e nichel, il litio è l’altro risorsa costosa chiave nelle batterie agli ioni di litio. Al contrario, il sodio è estremamente abbondante e economico e molto meno probabile che vada in carenza regolarmente come il litio.

Il principale produttore cinese di auto, BYD ha annunciato l’intenzione di utilizzare batterie sodio‑ione per i suoi nuovi modelli a basso prezzo Dolphin e Seagull, con il Seagull forse a un prezzo di 10.000 $ (purtroppo, solo in Cina).

Ciò è seguito dall’annuncio di una batteria sodio‑ione ad alta densità da CATL nel 2021. Nel novembre 2023, la europea Northvolt ha annunciato un breakthrough nel sodio‑ione, raggiungendo la stessa densità energetica di 160 watt‑ora per chilogrammo di CATL.

Sebbene leggermente meno densa di energia rispetto al LFP e molto meno rispetto al litio‑ione, il sodio‑ione potrebbe conquistare il mercato di massa grazie a un prezzo MOLTO più economico, potenzialmente un terzo del prezzo delle batterie attuali che usano nichel.

Altre Chimiche

Sebbene sarebbe troppo lungo analizzarle una per una, ci sono diverse altre chimiche potenziali che potrebbero un giorno diventare seri concorrenti per le batterie usate nelle applicazioni di mobilità. Ma queste tecnologie sono in una fase più precoce, rendendo la loro adozione nei VE improbabile a breve termine.

Batterie di Vetro

Un’idea intrigante, che utilizza solo materiali molto abbondanti, che per ora altri ricercatori hanno faticato a replicare nei propri laboratori. Ma considerando che quest’idea è supportata da il signor Goodenough, l’inventore della batteria agli ioni di litio, non deve essere liquidata (purtroppo, il signor Goodenough è deceduto nell’estate del 2023).

Batterie al Grafene

Il grafene, uno strato singolo di atomi di carbonio, è estremamente conduttivo. L’azienda Graphene Manufacturing Group (GMG.V) sta spingendo per batterie al grafene/alluminio, che potrebbero avere una densità più alta rispetto al litio‑ione caricandosi 70 volte più velocemente e durare 3 volte più a lungo. L’azienda sta collaborando con il gigante minerario (e mineratore di grafite) Rio Tinto per avviare la produzione su larga scala per il 2025 (RIO ).

Batterie a Idrogeno di Manganese

Queste batterie userebbero magnesio per sostituire il litio. Questo tipo di batteria è stata descritta come “quasi a stato solido” e potrebbe gestire temperature molto più basse, fino a -22 °C (- 7 °F).

Batterie al Litio‑Zolfo

Queste batterie userebbero litio e zolfo invece di cobalto e nichel costosi. Anche a questo stadio precoce, mostrano una densità energetica notevolmente alta. Tuttavia, sono state afflitte da problemi di durata e dovranno diventare molto più durevoli per essere una valida alternativa alle chimiche esistenti.

Fonte: Vertex Holdings

Batterie Sodio‑Zolfo

Queste batterie sono finora state limitate a applicazioni in cui la batteria è mantenuta a temperature elevate (300 °C). Tuttavia, nuovi elettroliti che impediscono la dissoluzione dello zolfo potrebbero eliminare questo requisito. Quindi, potrebbe diventare una nuova strada per trovare batterie potenti ed economiche.

Batterie Alluminio‑Ione

Questa tecnologia sostituisce l’anodo di litio con uno di alluminio. Utilizzando un sostituto polimerico per la grafite, queste batterie potrebbero raggiungere un’alta capacità di immagazzinamento.

Alluminio‑Aria

Queste “batterie” funzionano consumando alluminio come combustibile, fornendo al VE che le utilizza una autonomia più alta rispetto a un’auto a combustibile (1.600 km per serbatoio), con una densità energetica molto più elevata rispetto al litio‑ione (1.350 W/kg). Questo le rende anche una potenziale fonte di energia elettrica per aerei elettrici.

L’alluminio consumato può poi essere sostituito con alluminio fresco in 90 secondi, e il “combustibile” usato viene riciclato. Questa tecnologia potrebbe anche essere combinata con VE più vecchi per restituire loro più autonomia.

Attualmente, il principale limite allo sviluppo di questa tecnologia sembra essere la mancanza di supporto pubblico, non essendo né una vera batteria, né una cella a combustibile, né a base di idrogeno, rendendola non idonea al supporto delle politiche verdi esistenti.