A cura del Dott. Pierpaolo Piras, studioso di Geopolitica e Componente del Comitato per lo Sviluppo di Mondo Internazionale APS
C'è una rivoluzione in arrivo nel campo delle batterie per le auto elettriche. La casa automobilistica giapponese Toyota ha dichiarato l’anno scorso che tra le sue mire industriali c’è il lancio, previsto per il 2027-28 di un autoveicolo in grado di percorrere 1.000 chilometri e ricaricarsi in soli 10 minuti, utilizzando un tipo innovativo di batteria che scambia i componenti liquidi con quelli solidi.
Nel contempo, i produttori cinesi hanno annunciato auto economiche per il 2024 dotate di batterie basate non sul litio che alimenta i migliori veicoli elettrici (EV) di oggi, ma sul sodio più a buon mercato. Il sodio, contrariamente al litio, è uno degli elementi chimici più abbondanti nell’intera crosta terrestre. E un laboratorio statunitense ha sorpreso il mondo con un’altra innovazione: una cellula che funziona in parte con l’aria atmosferica e che potrebbe immagazzinare una quantità di energia sufficiente per alimentare persino i mezzi aerei.
Questi e altri annunci si basano sulla elaborazione di progetti alternativi alle convenzionali batterie agli ioni di litio, che hanno dominato i veicoli elettrici per decenni. Sebbene gli ioni di litio siano ancora difficili da superare, i ricercatori ritengono che presto una serie di opzioni riempiranno completamente diverse nicchie di mercato: alcune molto economiche, altre che forniranno molta più potenza.
La ricerca di batterie migliori per le auto è a dir poco accanita, in gran parte perché il mercato di tale genere è alle stelle. Più di una dozzina di nazioni hanno dichiarato che tutte le nuove auto dovranno essere propulse da energia elettrica entro il 2035.
Le previsioni per il futuro
L’Agenzia internazionale per l’energia (IAE) prevede plausibilmente che lo stock globale di veicoli elettrici su strada aumenterà da 16,5 milioni nel 2021 a quasi 350 milioni entro il 2030 e che la domanda di energia proveniente dalle batterie dei veicoli elettrici raggiungerà i 14 terawatt ore (TWh) entro il 2050, ovvero 90 volte in più rispetto al consumo che è stato nel 2020. Un Terawatt equivale a 1000 miliardi di Watt.
Le batterie per auto (e non solo) hanno un rigido elenco di requisiti costruttivi e di sicurezza da rispettare. Hanno l’esigenza di concentrare elevata energia nella minore quantità possibile di materiale, di spazio e di peso adeguato in modo che i veicoli possano percorrere tratte sempre più lunghe consumando una singola carica.
Inoltre, devono fornire energia sufficiente per l'accelerazione, ricaricarsi rapidamente, avere una lunga durata (lo standard comune è resistere a 1.000 cicli di ricarica completi, che dovrebbero durare 10-20 anni per un consumatore), funzionare bene in ampi intervalli di temperature ambientali, essere sicure ed economicamente convenienti. E’ più che evidente la difficoltà di conciliare contemporaneamente tutti questi requisiti.
Pertanto i ricercatori stanno perseguendo una miriade di opzioni, con in mente obiettivi diversi. Fra questi spicca il programma “Battery500” elaborato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DoE), lanciato nel 2017, il quale punta a una densità di energia delle celle di 500 watt ora per chilogrammo (Wh kg –1 ) con un aumento conseguente del 65% rispetto ai migliori prodotti odierni. Il programma “PROPEL-1K” , lanciato lo scorso anno dall’Agenzia statunitense per i progetti di ricerca avanzata – Energia, mira ambiziosamente a un obiettivo a lungo termine ancora superiore pari a 1.000 Wh kg –1 .
Per quanto attiene ai costi di tali sistemi produttivi, il Vehicle Technologies Office del DoE punta a raggiungere il costo di 60 dollari per kilowatt ora entro la data del 2030, che equivale a circa la metà dei prezzi attuali. Il che, secondo le stime attuali, significherà che il prezzo delle auto elettriche raggiungerebbe l’esatto pareggio con il costo di quelle attuali alimentate a benzina o a gas.
È difficile stabilire a che punto siano le cose.
Gli annunci commerciali su batterie o automobili non ancora immesse sul mercato a volte reclamizzano in eccesso un determinato parametro rispetto ad altri e le affermazioni proprietarie possono essere impossibili da verificare finché le batterie non vengono testate per anni nelle automobili del mondo reale. E fintantoché vigerà un naturale riserbo industriale sulle innovazioni.
E’ chiaro invece che dopo decenni di lavoro restano da accertare possibilità decisamente allettanti su varianti progettuali come le batterie allo stato solido e al sodio, che stanno dando finalmente i loro frutti. Per quanto riguarda il lontano futuro, molte proprietà chimiche delle batterie in fase sperimentale. E ora che tutti hanno capito quale sarà l’applicazione e lo sviluppo lucroso delle batterie, tutti si danno oltremodo da fare.
Evoluzione degli elettrodi
Le batterie sono effettivamente come dei sandwich di natura chimica, che funzionano trasportando gli ioni carichi da un lato (l'anodo) all'altro (il catodo) attraverso un materiale intermedio (l'elettrolita) mentre gli elettroni fluiscono in un circuito esterno. Ricaricare la batteria significa deviare gli ioni nuovamente verso l'anodo.
Già oggi, la maggior parte delle auto elettriche funziona con qualche variante di batteria agli ioni di litio
Il litio è il terzo elemento più leggero nella tavola periodica di Mendeleev e ha un elettrone esterno reattivo, che rende i suoi ioni ottimi trasportatori di energia elettrica. Per tale ragione, di pura natura chimica, gli ioni di litio viaggiano tra un anodo solitamente costituito da grafite e un catodo costituito da un ossido di metallo, i quali ospitano altri ioni di litio disposti tra strati atomici. L'elettrolita è tipicamente un liquido di natura organica.
Le batterie agli ioni di litio sono migliorate notevolmente rispetto al primo prodotto commerciale che risale al 1991: la densità di energia delle celle è oggi quasi triplicata, mentre i prezzi sono scesi di un ordine di grandezza di tre volte. E con ulteriori margini di miglioramento, alcuni sostengono che gli ioni di litio saranno i migliori elettroliti ancora a lungo.
Le attuali innovazioni principali
La maggior parte del miglioramento finora apportato all’utilizzo degli ioni di litio è derivato da modifiche al materiale del catodo (polo positivo), che hanno determinato la creazione di molteplici tipi di celle commerciali. Uno di questi è diffuso per i computer portatili e utilizza l’ossido di litio e cobalto. Le batterie prodotte sono relativamente leggere ma sensibilmente più costose. Altri, diffusi negli autoveicoli, utilizzano una miscela di nichel-cobalto con alluminio oppure manganese come stabilizzante (NCA e NCM) del sistema. Poi c'è il litio-ferro-fosfato (LFP), che fa a meno dei costosi cobalto e nichel ma finora presenta una densità energetica ancora relativamente bassa. Il prezzo dell'LFP lo ha reso attraente e alcuni ricercatori e aziende stanno lavorando per migliorarlo; Il produttore statunitense di veicoli elettrici Tesla ha deciso nel 2021 di passare alle batterie LFP nelle sue auto di fascia media.
Le batterie allo stato solido
L’idea delle batterie allo stato solido consiste nell’utilizzare come elettrolita un polimero ceramico o solido, il quale accoglie fisicamente il passaggio degli ioni di litio. L’architettura delle celle delle batterie allo stato solido appare di struttura più semplice rispetto a quella delle celle a base liquida. Poi, le batterie solide, almeno in teoria, funzionano meglio sia alle basse temperature (perché non c'è liquido che diventa più viscoso quando fa freddo) sia alle alte temperature (perché le interfacce con gli elettrodi soffrono meno quando fa caldo).
Lo stato solido ha un certo futuro davanti a sé. Ma presenta ancora difficoltà realizzative
Ad esempio, le vere e proprie auto alimentate da batterie allo stato solido sembrano essere perennemente all’orizzonte: la data prevista originariamente dall’azienda Toyota per la loro commercializzazione promessa per l’inizio degli anni 20 è attualmente slittata per la fine degli anni 20.
Alla fine di questo arcobaleno di batterie allo stato solido, ci sarebbe un modello sperimentale litio-aria. Alcuni sperimentatori propongono l'aviazione come il migliore campo d’applicazione pratica per tale tecnologia, dato che è così densa di energia. Se ad alcuni può sembrare fantascienza, un aerotaxi elettrico è stato già autorizzato a volare in Cina – anche senza pilota – dall’ottobre 2023, e diverse aziende producono velivoli che possono percorrere un paio di centinaia di chilometri con batterie agli ioni di litio. Gli aerotaxi che possono evitare il traffico che ti portano dall'aeroporto al tuo hotel, sono un settore già emergente in procinto di decollare.
Il calo dei costi
Mentre continua la ricerca di batterie innovative capaci di accumulare sempre più energia in minor tempo, alcuni scienziati sostengono che la preoccupazione prioritaria è rappresentata dalla necessità di scegliere una chimica della batteria che sia più economica e sostenibile a lungo termine.
Qui la sfida più grande riguarda la produzione delle risorse, ovvero calcola che i 14 TWh necessari per le automobili entro il 2050 richiederanno un minimo di 14 milioni di tonnellate di litio totale. La quantità necessaria rende importante scegliere metalli che non siano scarsi o costosi e che non causino eccessivi danni ambientali quando vengono estratti.
Auto elettriche e batterie: come farà il mondo a produrne abbastanza?
Molti ricercatori e aziende stanno cercando di realizzare batterie che non utilizzino nichel, cobalto o altri metalli rari e costosi.
Ad esempio, si stanno esaminando sperimentalmente dei catodi alternativi che si basano sull'idea che gli ioni di litio possono semplicemente serpeggiare attraverso un catodo cristallino anziché seguire un percorso ordinato attraverso gli strati chimici, e quindi il catodo può essere realizzato con quasi tutti i numerosi metalli di transizione. L’obiettivo finale è probabilmente quello di riuscire a sbarazzarsi del litio stesso, un metallo che ha visto oscillazioni selvagge dei prezzi grazie al boom della domanda e ai punti critici dell’offerta sotto il profilo geopolitico. Ad esempio con la Cina Popolare che cerca di monopolizzare i siti di estrazione mineraria nel mondo.
Nel 2022-2023, i prezzi del carbonato di litio per batterie sono aumentati di sei volte rispetto ai prezzi ordinari. I ricercatori hanno provato a sostituire il litio con molti altri portatori di carica elettrica, tra cui magnesio, calcio, alluminio e zinco, ma il lavoro sul sodio resta ancora il più avanzato. Il sodio si trova direttamente sotto il litio nella tavola periodica di Mendeleev, rendendo i suoi atomi più pesanti e più grandi, ma con proprietà chimiche del tutto simili. Ciò significa che molti insegnamenti appresi dallo sviluppo e dalla produzione delle batterie al litio possono essere ripetute esattamente anche con il sodio. E’ bene ricordare che il sodio è quasi ubiquitario e molto più facile da reperire nel mondo: è circa 1.000 volte più abbondante nella crosta terrestre rispetto al litio. E’ stato calcolato che le batterie al sodio potrebbero costare circa 50 dollari per kilowattora accumulato.
Le batterie al sodio sono già in produzione. Il conglomerato cinese “BYD” – che all’inizio del 2024 ha sostituito Tesla come il più grande produttore di veicoli elettrici al mondo – ha avviato il suo primo impianto di batterie agli ioni di sodio.
E le case automobilistiche cinesi Chery, JMEV e JAC hanno tutte e tre annunciato formalmente la produzione di auto economiche alimentate da batterie agli ioni di sodio nella loro gamma per la Cina quest’anno.
I prezzi di listino per queste piccole auto dovrebbero aggirarsi intorno ai 10.000 dollari ciascuna.
Le batterie agli ioni di litio devono essere più ecologiche ed etiche
Ma il peso maggiore del sodio rispetto al litio rende fondamentalmente più difficile raggiungere densità energetiche elevate. Inoltre, non c’è stato molto tempo per sviluppare migliori elettrodi ed elettroliti: la densità energetica delle batterie agli ioni di sodio ora corrisponde all’incirca a quella delle migliori batterie agli ioni di litio di dieci anni fa.
Queste densità di energia inferiori significano che l’autonomia risulterebbe ancora limitata. Le auto ultra compatte che dovrebbero essere alimentate con batterie al sodio hanno annunciato un’autonomia di circa 250-300 km, rispetto ai quasi 600 km di una Tesla Model S alimentata al litio. Saranno necessari progressi nel campo della chimica per raggiungere il livello necessario per il mercato automobilistico occidentale. Alcune aziende, tra cui la “Faradion” con sede nel Regno Unito e Northvolt svedese, stanno promuovendo in maniera originale le loro batterie al sodio per immagazzinare l'energia rinnovabile risultata in eccesso per le reti elettriche, dove il problema del peso fisico del sodio è meno problematico.
Indovina e prova
Lo sviluppo delle batterie è oneroso per tutti, perché i comportamenti dei materiali utilizzati non sono sempre prevedibili.
Attualmente la ricerca industriale impiega dagli 8 ai 15 anni per ideare nuovi progetti di elettroliti allo stato solido e ottimizzare le specifiche, comprendendo quali additivi utilizzare e come imballare il litio ad alta densità. Oggi, l’ausilio maggiore sta arrivando dall’utilizzo dell’intelligenza artificiale (AI) e dalla sintesi industriale automatizzata, che possono aiutare a esplorare più opzioni lavorative più rapide e meno onerose. Ma queste strategie di intelligenza artificiale sono limitate dalle specifiche che i chimici devono inserire per renderle operative: ci sono ancora molte incognite su cosa sta realmente accadendo a livello atomico nell'interfaccia tra i materiali dell'elettrodo e dell'elettrolita.
Alla fine, gli esperti dicono che probabilmente vedremo una gamma di batterie originali e innovative per le nostre future auto, più o meno allo stesso modo in cui oggi abbiamo motori a 2, 4 e 6 cilindri. Potremmo vedere batterie al sodio o LFP anche per le automobili di fascia bassa, carrelli elevatori e veicoli specializzati e quant’altro. Poi potrebbero esserci batterie agli ioni di litio migliorate, magari utilizzando anodi di silicio o catodi di salgemma, per veicoli di fascia media, o forse le batterie al litio a stato solido prenderanno il posto di quella classe.
Poi potrebbero esserci LiS o anche celle al litio-aria per auto di fascia alta – o taxi volanti su brevi tragitti. La realizzazione di questi numerosi progetti renderanno la batteria al litio solo una delle tante disponibili e neanche tra le migliori
C'è ancora tanto lavoro pratico e sperimentale da completare.
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Redazione
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