Il Futuro della Mobilità – Tecnologia delle Batterie

L’ascesa delle EV

Quando Tesla è stata fondata nel 2003, l’idea di auto elettriche era vista per lo più come uno scherzo. A quel punto, ogni auto elettrica era essenzialmente una versione glorificata di un golf cart con una portata di batteria povera, basso comfort, dimensioni ridotte e velocità massima molto bassa.

La Tesla Roadster (1ª generazione, poiché una nuova versione è prevista per il 2026) ha completamente cambiato questa percezione, con le prestazioni di un’auto sportiva di lusso, rendendo le auto elettriche (EV) improvvisamente cool.

La parte chiave che ha reso le EV improvvisamente valide è stato il progresso nella tecnologia delle batterie. Inizialmente, questo si è basato sulle batterie al litio-ioniche progettate per il mercato elettronico di piccole dimensioni. E presto, sono stati sviluppati sistemi più dedicati per dare alle EV più autonomia.

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

Vendite di auto elettriche globali – Fonte: IEA

Tuttavia, nonostante questo progresso, alcune domande rimangono aperte sull’adozione delle EV. Le vendite di EV si sono rallentate di fronte all’alta inflazione e alla necessità di convincere il pubblico generale – non solo gli acquirenti precoci. Ciò ha recentemente portato al rinvio o alla cancellazione della strategia EV da parte di importanti produttori, come GM, Ford o Honda.

Le limitazioni attuali

I primi entusiasti delle EV erano felici di utilizzare veicoli che potevano essere più neutrali dal punto di vista del carbonio e rappresentavano una nuova tecnologia. Gli acquirenti meno preoccupati per l’ambiente sono ancora un po’ scettici sulle EV per una varietà di motivi:

• Prezzo: La maggior parte delle EV costa ancora più delle loro equivalenti con motore a combustione interna (ICE). Con i tassi di interesse in aumento, ciò può rendere le EV troppo costose per molte persone.
• Ansia per la portata: Un modo per ridurre il prezzo di un’EV è scegliere l’opzione di pacchetto batteria più piccola. Ma poi, la portata più bassa può rendere difficile i viaggi lunghi, e il tempo di ricarica può essere lungo.
• Tempo freddo: Più il clima è freddo, più dannoso è per le batterie. La maggior parte delle EV deve rimanere in carica durante le notti invernali se non si trova in un garage riscaldato. Inoltre, il freddo riduce la portata teorica delle EV.
• Infrastruttura di ricarica: Le persone che vivono in appartamenti potrebbero trovare difficile ricaricare le loro EV se non ci sono abbastanza stazioni di ricarica pubbliche disponibili. Lunghe code, ricarica lenta o assenza di stazioni vicine possono rendere l’esperienza povera.
• Sicurezza e durata della batteria: Le batterie al litio-ioniche contengono molta energia. E gli elettroliti nella batteria sono molto infiammabili. Ciò rende le batterie potenzialmente un pericolo per la sicurezza, soprattutto in ambienti chiusi come i parcheggi sotterranei. Non che le auto con motore a combustione interna non siano infiammabili, ma è comunque una preoccupazione.
• Griglia elettrica: Sebbene non sia una preoccupazione per gli acquirenti di EV, potrebbe diventare un problema per il settore nel suo complesso. Le reti elettriche sono già abbastanza tese e potrebbero non gestire bene milioni di veicoli che necessitano di ricarica. La fonte di energia elettrica è anche un problema, con molta di essa proveniente da combustibili fossili, compreso il carbone.

La maggior parte dei problemi con le EV attuali può essere risolta con batterie migliori. Ricarica lenta, portata troppo bassa, problemi di sicurezza, sensibilità al freddo e anche prezzo sono tutte caratteristiche delle batterie al litio-ioniche attuali.

I ricercatori e i leader dell’industria stanno lavorando sodo per risolvere questi limiti, sia migliorando il design esistente che inventando nuovi modi per costruire batterie.

In generale, batterie più dense significano batterie più economiche, più sicure, che sono anche più likely a durare più a lungo e a ricaricarsi più velocemente.

Miglioramento delle batterie al litio

Il primo passo è migliorare le batterie esistenti e capitalizzare la ricchezza di conoscenze e esperienze con questa tecnologia. Alcuni ricercatori vedono l’attuale generazione di batterie ancora in grado di essere migliorata incrementalmente fino al 2030: “Prospettive per le batterie al litio-ioniche e oltre – una visione per il 2030”.

La prima parte è migliorare la cathode della batteria, che è attualmente principalmente realizzata con litio e nichel nelle batterie al litio-ioniche. Una comprensione più profonda della struttura cristallina e del cambiamento chimico quando una batteria invecchia potrebbe migliorare tutte le specifiche delle batterie.

Le anodi, attualmente realizzati con grafite, potrebbero essere sostituiti con silicio o ossido di silicio 5-10 volte più densi in termini di energia. Ciò è stato finora difficile, poiché gli anodi al silicio tendono a “invecchiare” troppo rapidamente. Le miscele di grafite e silicio stanno già diventando più comuni e potrebbero aiutare a aumentare l’energia totale delle batterie.

Cambiare gli elettroliti che collegano l’anodo e la cathode 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 miglior design è un’opzione per ottimizzare la relazione tra batterie e EV. Molti produttori di EV stanno iniziando a utilizzare le cosiddette batterie strutturali che sono sia dispositivi di stoccaggio dell’energia che componenti strutturali del veicolo. Ciò può ridurre il peso totale dell’auto, portando a maggiore efficienza e portata. Rolls-Royce, Tesla e Volvo stanno già lavorando su questa idea, che potrebbe aumentare la portata del 16%.

Batterie a stato solido

A lungo teorizzate e lentamente rese realtà in laboratorio, le batterie a stato solido sono spesso descritte come il Santo Graal della tecnologia delle batterie.

L’idea è quella 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; rimuovere fino a 3 settimane nella linea di produzione.

Infine, tali progetti promettono una ricarica quasi completa in 3-5 minuti, o circa lo stesso tempo necessario per rifornire un’auto con benzina.

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

Problemi delle batterie a stato solido

Lo sviluppo di batterie a stato solido è stato afflitto dalle difficoltà di scalare i prototipi di laboratorio a prodotti di massa. La produzione affidabile, automatizzata e a basso costo è ancora in corso, e la tempistica per l’arrivo sul mercato delle batterie a stato solido è probabilmente nell’orizzonte del 2026-2028 al più presto.

Fonte: Vertex Holdings

Infine, le batterie a stato solido utilizzeranno molto più litio delle attuali batterie al litio-ionico, il che potrebbe causare una ripetizione del prezzo in aumento del litio nel 2022, quando è aumentato di 10 volte in 2 anni. Il riciclo potrebbe anche essere difficile.

“Condensate” Batterie

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

Ciò è un livello di densità precedentemente ritenuto raggiungibile solo dalle batterie a stato solido. È anche il livello richiesto per iniziare a considerare l’aviazione elettrica e altre applicazioni che finora sono state impossibili da elettrificare.

Chimiche alternative delle batterie

Ci sono molte possibili alternative alle batterie al litio-ioniche per creare una batteria. Ma solo alcune chimiche delle batterie avranno il giusto mix di leggerezza, alta densità e sicurezza per essere adatte all’uso in applicazioni mobili.

Nel lungo termine, alcune di queste batterie alternative potrebbero anche sostituire le più costose batterie al litio, almeno quando si tratta del mercato automobilistico di massa più sensibile ai prezzi.

Batterie al litio-ferro (ferrum)-fosfato – LFP

Le batterie LFP sono state a lungo escluse dalle applicazioni mobili a causa della bassa densità di energia, tipicamente del 30-40% più bassa di una batteria al litio-ionica classica. L’ultima versione di questa chimica sta ora raggiungendo il livello di densità delle batterie al litio-ionico di vecchia generazione, rendendole valide per veicoli a basso costo.

Un grande vantaggio delle LFP è che non richiedono nichel o cobalto, entrambi responsabili del prezzo delle batterie al litio-ionico classiche. Al contrario, ferro e fosfato sono abbondanti e a buon mercato. Le LFP sono anche più likely a durare più a lungo, riducendo ulteriormente il costo totale del sistema della batteria.

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

Tuttavia, non trascura il mercato LFP dopo la rivelazione di agosto 2023 di una batteria LFP da 700 chilometri che può ricaricare 400 km di portata in soli 10 minuti.

Sodio-ionico

Oltre al cobalto e al nichel, il litio è l’altro costo elevato che va nelle batterie al litio-ionico. Al contrario, il sodio è estremamente abbondante e a buon mercato e molto meno likely a esaurirsi regolarmente come il litio.

Il principale produttore automobilistico cinese, BYD, ha annunciato la sua intenzione di utilizzare batterie al sodio-ionico 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 all’annuncio di una batteria al sodio-ionico ad alta densità da parte di CATL nel 2021. Nel novembre 2023, il nordamericano Northvolt ha annunciato un importante passo avanti nel sodio-ionico, raggiungendo la stessa densità di energia di 160 watt/ora per chilogrammo di CATL.

Sebbene leggermente meno densa delle LFP e molto meno delle batterie al litio-ionico, il sodio-ionico potrebbe vincere il mercato di massa grazie a un prezzo molto più basso, potenzialmente 1/3 del prezzo delle batterie attuali che utilizzano nichel.

Altre chimiche

Mentre sarebbe troppo lungo esaminare ciascuna di esse una per una, ci sono diverse altre chimiche potenziali che potrebbero un giorno diventare serie candidate per batterie utilizzate in applicazioni mobili.

Batterie al vetro

Un’idea intrigante, che utilizza solo materiali molto abbondanti, che per ora altri ricercatori hanno faticato a replicare nei loro laboratori. Ma considerando che questa idea è supportata da Mr. Goodenough, l’inventore della batteria al litio-ionico, non può essere liquidata (purtroppo, Mr. Goodenough è deceduto nell’estate del 2023).

Batterie al grafene

Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, è estremamente conduttivo. La società Graphene Manufacturing Group (GMG.V) sta spingendo per batterie al grafene/alluminio, che potrebbero avere una densità più alta delle batterie al litio-ionico mentre si ricaricano 70 volte più velocemente e durano 3 volte più a lungo. L’azienda sta lavorando con il gigante minerario (e minatore di grafite) Rio Tinto per avviare la produzione su larga scala per il 2025.

Batterie al manganese-idrogeno

Queste batterie utilizzerebbero il magnesio per sostituire il litio. Questo tipo di batteria è stato descritto come “quasi a stato solido” e potrebbe gestire molto meglio le temperature basse come -22 °C (- 7°F).

Batterie al litio-zolfo

Queste batterie utilizzerebbero litio e zolfo invece del costoso cobalto e nichel. Anche in questa fase iniziale, mostrano una densità di energia notevolmente alta. Tuttavia, sono state afflitte da problemi di durata e dovranno diventare molto più durature per essere una buona alternativa alle chimiche esistenti.

Fonte: Vertex Holdings

Batterie al sodio-zolfo

Queste batterie erano state limitate fino ad ora ad applicazioni in cui la batteria era mantenuta a temperature elevate (300°C). Tuttavia, nuovi elettroliti che impediscono la dissoluzione dello zolfo potrebbero rimuovere questo requisito. Quindi, potrebbe diventare un nuovo angolo per trovare batterie potenti e a buon mercato.

Batterie all’alluminio

Questa tecnologia sostituisce l’anodo al litio con uno all’alluminio. Utilizzando un sostituto polimerico per il grafite, queste batterie potrebbero raggiungere un’elevata capacità di stoccaggio.

Batterie all’alluminio-aria

Queste “batterie” funzionano consumando alluminio come carburante, dando all’EV che le utilizza una portata più lunga di un’auto a carburante (1.600 km per serbatoio), con una densità di energia molto più alta delle batterie al litio-ionico (1.350 W/kg). Ciò la rende anche una potenziale fonte di energia per aerei elettrici.

L’alluminio consumato può essere sostituito con alluminio fresco in 90 secondi, e il “carburante” esausto può essere riciclato. Questa tecnologia potrebbe anche essere combinata con vecchie EV per restituirgli più portata.

Attualmente, il principale limite per lo sviluppo di questa tecnologia sembra essere che non riceve supporto pubblico, non essendo una vera batteria, una cella a combustibile, o una tecnologia basata sull’idrogeno, rendendola inidonea per il supporto esistente alle politiche verdi.