Energia

Batterie Ultra-Dure: Perché la Tecnologia di Nuova Generazione Durerà Decenni, Non Solo Anni

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Batterie Progettate per Durare

Man mano che il mondo si elettrifica e passa alle energie rinnovabili, cresce la necessità di più capacità di accumulo energetico. Questo è in parte dovuto al passaggio ai veicoli elettrici, ma anche alla natura intermittente della produzione da fonti rinnovabili.

Ciò può essere parzialmente compensato da altre fonti a basse emissioni di carbonio, come l’energia idroelettrica o nucleare, o forse in futuro dall’energia geotermica. Tuttavia, i sostenitori dell’energia verde preferirebbero di gran lunga vedere il solare (e l’eolico) a basso costo alla base dei nostri sistemi energetici.

Questo crea una domanda di batterie con caratteristiche fondamentalmente diverse rispetto a quelle per la mobilità.

I veicoli elettrici richiedono batterie molto ad alta densità energetica, leggere e compatte abbastanza da poter essere integrate nel telaio di un’auto. La durabilità è una preoccupazione, ma finché la batteria può funzionare per 10‑15 anni, ciò è probabilmente in linea con la durata degli altri componenti dell’auto.

Al contrario, le batterie per l’accumulo di energia sono molto meno vincolate da peso o volume. Tuttavia, sono decisamente limitate dal costo, poiché rappresentano un costo aggiuntivo per la produzione di energia verde e per la rete elettrica.

Un modo per ridurre il costo dell’accumulo è utilizzare materiali meno costosi del litio per costruire la batteria. Molte alternative sono in fase di valutazione, come discusso in “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”: batterie basate su tecnologie come sodio‑ion, ferro‑aria, zinco, sale marino, polimeri, sodio‑zolfo o persino metalli fusi.

Un altro elemento chiave per ridurre il costo totale di vita di un sistema di batterie è farle durare diversi decenni. Ammortizzando l’investimento su molti anni, il costo capitale della batteria si riduce notevolmente su base annua. Questo è qualcosa con cui le compagnie di servizi pubblici sono più a loro agio, poiché sono abituate ad ammortizzare nuove centrali elettriche su periodi di 30‑50 anni.

Perché le Batterie Falliscono?

Morte per Dendriti

Prima di costruire una batteria che duri quasi per sempre, dobbiamo capire perché la maggior parte delle batterie perde carica nel tempo o smette di funzionare.

Un fattore chiave, soprattutto per le batterie al litio‑ion, è la crescita dei dendriti. Questa struttura a forma di stalattite si forma a causa dell’accumulo improprio di metallo all’interno della batteria e, col tempo, può rompere la barriera tra catodo e anodo, potenzialmente provocando un corto circuito e un incendio catastrofico.

Fonte: Nobel Prize

A causa di questo rischio di incendio, i dendriti rappresentano un problema particolarmente serio per le compagnie di servizi pubblici, poiché un incendio in una cella di batteria potrebbe rapidamente propagarsi a un intero parco di batterie da miliardi di dollari nelle vicinanze. Idealmente, una tecnologia di batteria progettata per durare dovrebbe avere quasi nessun rischio di formazione di dendriti.

Va anche notato che, sebbene i dendriti siano più discussi per le batterie al litio‑ion, si tratta di un problema comune per la maggior parte delle batterie che utilizzano anodi e/o catodi metallici.

Perdita di Carica

Un altro modo in cui le batterie possono fallire è perdendo lentamente la capacità di immagazzinare energia. Questo è solitamente il risultato di una parte del metallo usato nell’elettrodo che si accumula in una forma che non può più essere riconvertita in qualcosa di utile.

Fonte: EnergSoft

Altre cause possono essere piccole crepe generate da stress meccanico e termico, perdita di integrità strutturale, accumulo di depositi indesiderati, ecc.

Fonte: EnergSoft

Quindi, più una tecnologia di batteria è suscettibile a questa lenta degradazione, più la carica totale diminuisce, rendendo progressivamente la batteria inutilizzabile. Inoltre, le batterie degradate tendono a mantenere la carica meno efficacemente e a sprecare più energia immagazzinata, rendendole ancora meno redditizie.

L’ideale sarebbe una tecnologia di batteria non suscettibile alla lenta degradazione del materiale costitutivo, oppure che possa essere regolarmente rigenerata a uno stato ottimale senza dover riciclare l’intero sistema.

Se vuoi approfondire i dettagli su come le batterie si degradano, puoi anche consultare questo video di 22 minuti:

Durata del Ciclo

La durabilità delle batterie può essere una cosa complessa da misurare. Per esempio, la maggior parte dei sistemi di batterie per veicoli elettrici è solitamente valutata in base al chilometraggio, ovvero quanta distanza può percorrere il veicolo prima di dover sostituire il pacco batteria.

Un altro modo di misurarla è in termini di numero di cicli di carica‑scarica che possono essere effettuati prima che la batteria perda una parte significativa della sua carica totale. Per l’accumulo di energia, è normale aspettarsi un ciclo di carica‑scarica fino a 1‑3 volte al giorno.

Infine, la capacità di mantenere la carica è anch’essa una domanda importante, poiché la maggior parte delle batterie perde una piccola quantità di carica ogni giorno. Nel frattempo, il vento può smettere di soffiare per settimane, e i giorni invernali sono quelli con meno sole e il più alto consumo di energia, soprattutto nei climi freddi. In teoria, una batteria capace di fornire energia senza grandi perdite per settimane o addirittura mesi sarebbe l’opzione ideale.

Tolleranza alla Temperatura

La maggior parte delle tecnologie di batteria è più che poco tollerante al freddo, soprattutto alle temperature di congelamento. Poiché l’accumulo di energia su larga scala sarà probabilmente effettuato in spazi esterni vicino a una centrale elettrica, questo può rappresentare un serio problema nei climi freddi durante l’inverno. Se una parte significativa dell’energia immagazzinata finisce per essere utilizzata per mantenere le batterie calde, ciò può compromettere gravemente l’economia del loro utilizzo.

Tecnologie di Batterie Ultra‑Durature

Batterie a Favo di Miele

Anche se, in definitiva, le chimiche alternative saranno le vincitrici per alimentare una rete elettrica totalmente basata su fonti rinnovabili, i produttori di batterie stanno anche cercando modi per rendere più dure le loro tecnologie attuali.

Un esempio è rappresentato dalle batterie a favo di miele di CATL (300750.SZ). Il gigante delle batterie CATL, che produce più della metà delle batterie mondiali, sta puntando molto su questa tecnologia. Sembra basarsi in parte su un’idea proposta già nel 2020 in un articolo scientifico intitolato “Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure”.

Fonte: Phys.org

Dalla pubblicazione scientifica del 2021, possiamo apprendere alcuni dei vantaggi chiave delle forme a favo di miele, in particolare bassa densità e alte proprietà di compressione e taglio fuori piano (resistenza dei materiali a forze parallele ma opposte).

Questo cambiamento nella configurazione fisica della batteria mantiene il materiale al posto giusto, evitando crepe e contrazioni durante la carica.

Pur non essendo chiaro come CATL l’abbia realizzata, alcuni di questi metodi sono noti; per esempio, trattamenti termici e chimici successivi con carbonio e acido possono creare una struttura nano‑favo di miele.

Nel complesso, la struttura a favo di miele sembra evitare la formazione di crepe e dendriti, creando una batteria ultra‑durevole pur basandosi sul principio ben compreso delle batterie al litio‑ion e LFP (litio‑ferro‑fosfato).

Probabilmente è al centro del nuovo prodotto di CATL, il sistema batteria LFP containerizzato TENER, che ha dimostrato zero degradazione della capacità dopo cinque anni di funzionamento continuo.

TENER è ora in fase di commercializzazione da parte di CATL verso le compagnie di servizi pubblici.

Fonte: Sustainability Environment

Batterie allo Stato Solido

Oltre alle modifiche chimiche, il modo stesso in cui le batterie sono costruite può essere cambiato per ottenere batterie più dense e più durevoli.

Questa è l’idea alla base delle batterie allo stato solido, che sostituiscono l’elettrolita liquido nella maggior parte dei progetti di batteria con uno strato metallico solido. In teoria, dovrebbero produrre le batterie più energetiche, anche se forse non le più economiche.

Fino a poco tempo fa, questa era un’idea difficile da implementare su larga scala, poiché richiede un contatto perfetto tra gli strati metallici. Il movimento meccanico durante i cicli di carica‑scarica porta spesso alla formazione di crepe.

Tuttavia, sviluppi recenti di molte aziende come QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) o Hyundai (HYMTF) indicano che la tecnologia sta ora maturando.

In teoria, le batterie allo stato solido ben sviluppate potrebbero sostituire progressivamente tutte le batterie al litio‑ion, LFP e persino sodio‑ion nei veicoli elettrici.

Il loro prezzo finale è ancora da determinare quando saranno prodotte su scala, per capire se saranno sufficientemente economiche per le applicazioni di accumulo di energia di rete. Forse concetti speciali come le batterie allo stato solido sodio senza anodo potrebbero gestire questo compito, poiché eviterebbero l’uso di costoso litio metallico.

(Puoi approfondire le opportunità di investimento in questa tecnologia in “5 Best Solid-State Battery Stocks to Watch or Buy”).

Batterie a Zinco

Poiché lo zinco è un metallo molto economico e abbondante, è stato usato per molto tempo nelle batterie non ricaricabili. Anche le batterie ricaricabili possono essere costruite con zinco, in particolare le batterie acquose a base di zinco (ZAB).

Tuttavia, questo design è stato afflitto dalla formazione di dendriti, dalla reazione parassita di evoluzione dell’idrogeno (HER) e dalla passivazione da corrosione superficiale, riducendo gravemente la sua utilità.

Questo sta cambiando grazie a nuove ricerche condotte presso la Technical University of Munich1. Hanno utilizzato un polimero organico poroso chiamato TpBD-2F. Questo materiale forma un film stabile, ultra‑sottile e altamente ordinato sull’anodo di zinco, consentendo agli ioni zinco di fluire efficientemente attraverso nano‑canali mantenendo l’acqua lontana dall’anodo.

Le celle complete assemblate (capacitori Zn‑ion) offrono una vita di ciclo ultra‑lunga di oltre 100.000 cicli, una durata sorprendente, grazie quasi alla completa soppressione della formazione di dendriti, oltre all’assenza di HER e corrosione.

Oltre alle batterie a zinco, i ricercatori pensano che questo concetto possa essere esteso ad altri anodi metallici: litio, sodio, potassio, alluminio, ecc.

TAQ‑Polimero e Batterie a Sodio‑Ion

Polimeri (carbonio) e sodio al posto del litio possono essere un ottimo modo per ridurre il prezzo delle materie prime impiegate in una batteria. Questo è ciò che ricercatori del MIT hanno combinato nella loro batteria TAQ‑sodio‑ion.

Nei test iniziali, ha gestito 2.000 cicli di carica‑scarica senza degradazione visibile, offrendo al contempo una densità energetica superiore a quella delle batterie al litio e una ricarica ultra‑rapida di 6 minuti.

Ciò dimostra che, in definitiva, la chimica di batteria più probabile a vincere la corsa per le batterie ultra‑durature potrebbe non essere semplicemente una versione migliorata di quelle esistenti, ma una revisione radicale dei materiali utilizzabili, con elementi economici e abbondanti come carbonio e sodio come candidati ideali.

Batterie a Metallo Fuso

La maggior parte dei concetti di batteria si basa sul trasferimento di elettroni tra uno stato di ossidazione di atomi metallici solidi a un altro. In questi casi, anodi e catodi devono essere perfettamente separati per evitare cortocircuiti.

Più metallo e meno parti liquide come elettroliti, meglio è, come nelle batterie allo stato solido, o così procede la maggior parte dell’industria delle batterie.

Espandendo radicalmente il concetto di batteria, le batterie a metallo fuso fanno l’opposto: tutti e tre i componenti principali, anodo, catodo ed elettrolita, sono liquidi.

Si separano spontaneamente l’uno dall’altro grazie alle diverse densità liquide. Il fatto che non vi siano componenti solidi dovrebbe, in teoria, aumentare drasticamente la durata della batteria, consentendo anche una ricarica e scarica molto rapide e una piena riciclabilità.

Fonte: Ambri

L’azienda sostenuta da Bill Gates, Ambri, che utilizza una batteria a calcio e antimonio, è stata una pioniera di questa tecnologia. Aveva pianificato di produrre 200.000 celle batteria all’anno nella sua nuova fabbrica entro il 2024.

Tuttavia, ciò non si è realizzato, poiché l’azienda è rimasta senza fondi prima di poter scalare la produzione. Da allora è emersa dal fallimento del capitolo 11 nell’estate 2024, e rimane guidata dal co‑fondatore Dr. David Bradwell come CEO.

Non vediamo l’ora di offrire il nostro prodotto commerciale unico, sicuro e a basso costo ai nostri clienti su larga scala, per soddisfare la forte domanda di sistemi batteria e per un futuro energetico più pulito.

Avviando questo nuovo inizio con un bilancio più solido e nuovo capitale, ci concentriamo sul posizionare Ambri per svolgere un ruolo di primo piano nel mercato dell’accumulo di energia a lunga durata a beneficio dei nostri stakeholder.

David Bradwell

Quindi Ambri non è ancora morta, e non è l’unica azienda che lavora su batterie a metallo fuso. L’azienda giapponese NGK insulator (NGKIF) sta anche lavorando su una batteria a sale fuso sodio‑zolfo, e la società Horien sta sviluppando una batteria sodio‑nichel‑cloruro.

Entrambi i prodotti aziendali sono già commercializzati e valutati per una durata di oltre 20 anni.

Batterie di Calore / Termiche

Allargando ulteriormente la definizione di batteria dall’accumulo elettrico a qualsiasi forma di accumulo energetico, le batterie di calore immagazzinano energia verde sotto forma di calore anziché energia elettrochimica.

Ciò può offrire diversi vantaggi importanti rispetto alle “batterie normali”:

  • La ritenzione del calore per diversi mesi è perfettamente realizzabile con un’adeguata isolazione, mentre le batterie chimiche perderanno sempre più energia su base giornaliera.
  • La maggior parte del materiale che trattiene il calore può essere ciclicata centinaia di migliaia di volte senza degradazione significativa.
  • I materiali usati sono economici e abbondanti, come, ad esempio, sabbia o carbonio puro.

La combinazione di materiali a basso costo, quasi zero degradazione per decenni e capacità di trattenere energia per più mesi rende le batterie di calore un candidato interessante.

È principalmente il settore privato a esplorare questa idea, in particolare l’azienda finlandese Polar Night Energy, che immagazzina l’energia in eccesso dell’estate per usarla in inverno, utilizzando solo sabbia a bassa qualità e un po’ di metallo per la struttura e le tubazioni.

Una batteria di calore simile è immaginata da Rondo Energy, con mattoni ceramici che possono essere riscaldati fino a 1500 °C, utilizzando il calore per processi industriali come la produzione di cemento o acciaio.

Fonte: Rondo Energy

Nel complesso, questa può essere un’ottima opzione per decarbonizzare settori che consumano ancora molta energia fossile, come l’industria pesante e il riscaldamento invernale degli appartamenti. Specialmente perché il design può aiutare a immagazzinare energia dall’estate soleggiata all’inverno nuvoloso.

Il calore immagazzinato potrebbe anche essere riconvertito in energia elettrica grazie a celle termofotovoltaiche, con ricercatori dell’Università del Michigan che hanno sviluppato celle con un record del 44 % di efficienza2.

Fonte: Design Boom

Conclusione

I sistemi di batterie per reti elettriche e abitazioni probabilmente saranno meno dipendenti dalla tecnologia attuale al litio‑ion e più orientati verso tecnologie più economiche e più durevoli, anche se meno dense dal punto di vista energetico. Per ora, quelle pronte per la commercializzazione di massa sono le batterie a struttura a favo di miele LFP avanzate e le batterie a sodio‑ion.

Nel lungo periodo, soluzioni più esotiche saranno probabilmente aggiunte al mix, come batterie a metallo fuso, zinco, polimero o di calore. In definitiva, la durabilità, il costo dei materiali e il costo di produzione saranno probabilmente i fattori determinanti per capire quale sarà il “finale” dell’accumulo di energia ultra‑durabile.

Cioè, se le batterie allo stato solido non dovessero risultare sufficientemente economiche da conquistare l’intero mercato di accumulo energetico, cosa che è una possibilità concreta.

Azienda di Batterie Ultra‑Durabili

QuantumScape

QS Grafico dei prezzi

Fin dalla sua fondazione nel 2010, la californiana QuantumScape è stata una startup di spicco nel settore delle batterie allo stato solido, notevole per il suo ingresso precoce nel campo e per la sua indipendenza rispetto ai grandi produttori di batterie che perseguono anch’essi la tecnologia allo stato solido, come CATL (300750.SZ), Samsung o LG Energy Solution (373220.KS).

Una caratteristica unica delle batterie QuantumScape, considerata all’epoca rivoluzionaria, è il design senza anodo. Consente una ricarica rapida di circa 15 minuti (10‑80 % a 45 °C) e il separatore è non infiammabile e non combustibile.

Ciò colloca anche le batterie QuantumScape in una categoria a sé stante per quanto riguarda la densità energetica e la velocità di ricarica, superando di gran lunga leader come Tesla (TSLA ) (sia con il proprio design sia con quelli prodotti da CATL).

Tuttavia, queste prestazioni notevoli sono state regolarmente ostacolate da difficoltà nell’aumentare la produzione. Ciò ha anche costretto l’azienda a bruciare le proprie riserve di liquidità, portando a diluizioni per gli investitori precedenti e a un calo del prezzo delle azioni.

Questo sembra cambiare da quando l’accordo del 2024 con PowerCo, la divisione batterie del gruppo Volkswagen, per una licenza di design e produzione di massa delle batterie QuantumScape da parte di PowerCo.

Nel contesto della licenza non esclusiva, PowerCo può produrre fino a 40 GWh all’anno di batterie per veicoli elettrici, con la possibilità di espandere a 80 GWh all’anno.

L’improvvisa scalata della produzione di QuantumScape sembra legata a Cobra, il nuovo equipaggiamento di separazione per batterie allo stato solido dell’azienda, una svolta nella produzione di ceramiche.

In teoria, Cobra dovrebbe essere integrato nella produzione entro il 2025, e la prima auto elettrica finita con batterie QuantumScape dovrebbe essere prodotta nel 2026.

Questo potrebbe rappresentare una svolta per l’azienda, passando 16 anni dopo la fondazione da startup promettente con IP interessante a generare ricavi crescenti grazie a una partnership con uno dei più grandi produttori di automobili al mondo.

Nel frattempo, gli investitori dovrebbero comunque aspettarsi una certa volatilità nel prezzo delle azioni, ma con una luce alla fine del tunnel di sviluppo del prodotto.

Ultime Notizie su QuantumScape

Riferimento Studio:

1. Da Lei, et al., (2024) Ion‑Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 ottobre 2024

2. Bosun Roy‑Layinde, et al. (2024) High‑efficiency air‑bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volume 8, Numero 7, p2135‑2145. 17 luglio 2024.

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Jonathan è un ex ricercatore di biochimica che ha lavorato nell'analisi genetica e nei trial clinici. Ora è un analista di mercato e scrittore di finanza con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione The Eurasian Century.