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Il futuro delle batterie elettriche passa dalla chimica: ecco le alternative al litio



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La tavola periodica esplora gli elementi alternativi al litio. La ricerca in chimica promette prezzi più sostenibili per le batterie elettriche. Ma le novità giungono anche dal grafene. Ecco le sfide del momento

Pubblicato il 19 giu 2024

Mirella Castigli

ScenariDigitali.info



La ricerca in chimica promette prezzi più sostenibili per le batterie elettriche

La nuova catena di fornitura automobilistica per i veicoli elettrici (EV) prevede batterie contenenti materiali che possono essere costosi, difficili da reperire e lavorati per lo più in Cina. L’impianto di Nysa, in Polonia, è il primo a produrre questi materiali.

Mentre le vendite di veicoli elettrici rallentano in alcuni mercati, a causa dei prezzi alti e di altre difficoltà (scarse colonnine eccetera), le case automobilistiche sperano di rilanciare le vendite con batterie più economiche e più potenti.

How LMFP and Sodium Ion Batteries will Change the Battery Market // 2023, 2025, and 2030

I materiali più economici, tuttavia, possono fornire un livello ridotto di prestazioni, per cui è probabile che vengano utilizzati nelle city car a corto raggio. Le versioni più costose ad alte prestazioni sono destinate alle auto di lusso e sportive. Ma nel mezzo c’è un intero mercato.

Tuttavia, il mercato dell’elettrico è solo agli inizi, ora anche l’Italia ha varato i nuovi incentivi. E in futuro i veicoli elettrici utilizzeranno molti tipi diversi di batterie, dove ogni versione avrà bisogno di un diverso mix di materiale attivo catodico (CAM).

“Le celle al itio-zolfo sono una nuova versione delle batterie al litio una delle tante chimiche alternative allo studio, con luci ed ombre, ovvero potenzialità ma anche problemi da risolvere per nulla banali”, commenta Massimo Guarnieri, professore di Ingegneria elettrica dall’ottobre 2003 e di Storia della tecnologia dal 2007 presso l’Università di Padova.

La sfida delle batterie elettriche passa dalla chimica e dalle alternative al litio, passando anche per il grafene e i nuovi materiali.

La chimica delle batterie elettriche

L’industria si stia preparando per un futuro a molteplici batterie. “Non stiamo puntando su un solo cavallo”, afferma Mathias Miedreich, capo di Umicore, un gruppo di materiali con sede a Bruxelles che possiede l’impianto di Nysa. Questa strategia si riflette nel design dell’impianto. La maggior parte delle fabbriche è configurata in modo lineare, con le materie prime che avanzano lungo una linea di produzione mentre vengono eseguite le operazioni. Gli attuali stabilimenti CAM di Umicore in Cina e Corea del Sud operano in questo modo. 

A Nysa, invece, la produzione è organizzata in modo modulare. I diversi processi si svolgono in edifici separati, con i materiali trasportati tra loro in contenitori giganti simili a sacchi. Ciò consente di passare rapidamente alla produzione di batterie con una chimica alternativa in base alla domanda e di introdurre più facilmente nuovi processi in base all’evoluzione delle tecnologie. Questo sistema è anche modello per un impianto CAM che l’azienda sta costruendo in Canada, su scala europea.

Attualmente, la principale materia prima che entra nell’impianto di Nysa è il litio, proveniente per lo più da miniere del Cile e dell’Australia.

“Litio-aria, Litio metallo, ioni di sodio, alluminio/aria, elettroliti solidi (ceramico, polimerico)” sono tutte le tante chimiche alternative allo studio, “on investimenti colossali e chi arriverà primo avrà trovato il paradiso finanziario”, conferma Massimo Guarnieri.

Dopo i test, viene miscelato con varie combinazioni di nichel, manganese e cobalto prima di essere cotto in forni giganti. Viene poi setacciato, pulito e spedito ai produttori di batterie per produrre le cosiddette celle NMC. I metodi esatti utilizzati alla Nysa sono complessi e altamente riservati. I visitatori e il personale vengono privati dei loro telefoni e di altri oggetti, compresi i gioielli (alcune apparecchiature utilizzano forze magnetiche sensibili).

I cavalli di battaglia

I produttori di batterie rivestono il CAM su una lamina metallica per formare i catodi. Quando una batteria viene caricata, gli elettroni vengono strappati dagli atomi di litio sul catodo, creando particelle cariche chiamate ioni. Gli ioni migrano attraverso un elettrolita liquido verso un secondo elettrodo, chiamato anodo, spesso fatto di carbonio. Gli elettroni, grazie a un materiale separatore, viaggiano invece lungo i fili del circuito di carica fino all’anodo, dove si riuniscono agli ioni e vengono immagazzinati. Quando la batteria si scarica, il processo si inverte, alimentando dispositivi come un motore elettrico.

La maggior parte delle case automobilistiche sta cercando di utilizzare meno cobalto, o di eliminarlo completamente. Non solo è costoso, tossico e raro, ma l’estrazione del cobalto è stata collegata agli abusi sul lavoro nella Repubblica Democratica del Congo. Per questo motivo, Umicore utilizza un processo di monitoraggio per escludere le pratiche non etiche.

La tracciabilità sta diventando sempre più importante, non da ultimo nell’UE, dove dal febbraio 2027 sarà richiesto il “passaporto delle batterie” per i veicoli elettrici dove si conosceranno fonte e natura dei materiali utilizzati per la loro produzione.

Un’alternativa più economica alle celle NMC è rappresentata dal litio-ferro-fosfato (LFP). Non contengono cobalto e nichel, ma hanno una densità energetica inferiore. Per alcuni usi, ciò potrebbe non essere importante. In Cina i veicoli alimentati a LFP si stanno dimostrando popolari tra gli automobilisti urbani che percorrono distanze più brevi. Anche alcune Tesla di serie utilizzano celle LFP.

Le batterie al sodio

Un’altra alternativa al litio è il sodio, che nonostante sia più pesante, è economico e facile da ricavare. Le batterie al sodio possono utilizzare catodi realizzati con metalli relativamente economici, come il manganese e il ferro, ma anche questi hanno un livello di prestazioni inferiore rispetto alle celle NMC. Alcuni produttori di batterie, tra cui la cinese CATL, la più grande al mondo, stanno già allestendo linee di produzione per celle al sodio.

La società di analisi IDTechEx ritiene che potrebbero essere più economiche del 20-30% rispetto alle batterie agli ioni di litio. Un mercato potenzialmente enorme è quello dell’immagazzinamento di energia rinnovabile nella rete elettrica, dove il peso maggiore è un problema minore.

I progressi della chimica de batterie elettriche agli ioni di litio

Allo stesso tempo, anche le batterie agli ioni di litio stanno facendo progressi. All’orizzonte si profilano potenti versioni allo stato solido, che fanno a meno dell’elettrolita liquido. Toyota, tra gli altri, le sta sviluppando. Saranno più piccole e leggere, raddoppieranno l’autonomia degli attuali veicoli elettrici e ridurranno i tempi di ricarica a pochi minuti. All’inizio saranno costosi e probabilmente appariranno nei modelli di lusso e sportivi. Umicore ha iniziato a produrre batterie allo stato solido in un centro di prototipazione appositamente costruito a Olen, in Belgio, per testarle sui veicoli.

Sono in arrivo altre chimiche per le batterie. Umicore sta esplorando il DRX (sale di roccia disordinato), che si riferisce a una struttura cristallina che potrebbe dare alle celle agli ioni di litio una densità energetica pari a quella del cobalto e del nichel, ma con materiali più facilmente disponibili, come il manganese e il titanio.

Gerbrand Ceder e i suoi colleghi dell’Università della California, Berkeley, ritengono che le batterie DRX potrebbero essere disponibili in commercio entro cinque anni.

Nonostante il rallentamento delle vendite di veicoli elettrici, la domanda di materiali per batterie è in forte crescita. L’impianto di Nysa, inaugurato nel settembre 2022, è già in fase di espansione e un secondo stabilimento è in fase di costruzione accanto, in una joint venture con PowerCo, una società che riunisce le attività del Gruppo Volkswagen nel settore delle batterie. Insieme, i due impianti hanno il potenziale per produrre oltre 200 GWh di materiale catodico all’anno, sufficiente per circa 3 milioni di veicoli elettrici.

L’innovazione passa anche dagli anodi

Anche per quanto riguarda l’altro lato della batteria, gli anodi stanno iniziando a essere più innovativi. Group14 Technologies, un’azienda con sede vicino a Seattle, ha iniziato a produrre un materiale anodico composto da silicio e carbonio.

In genere, gli anodi sono fatti di grafite. Il silicio, abbondante e poco costoso, può in teoria assorbire una quantità di ioni di litio dieci volte superiore a quella della grafite. Nel farlo, però, il silicio può gonfiarsi fino a tre o quattro volte le sue dimensioni, rendendo le batterie che lo utilizzano soggette a danni. Il composito del Gruppo 14 contiene l’espansione perché ingabbia il silicio in una “impalcatura” fatta di nanoparticelle di carbonio, spiega Grant Ray, responsabile della strategia dell’azienda. Ciò consentirà a un anodo in silicio composito di aumentare la densità energetica di una batteria fino al 50%. Quando l’azienda aumenterà la produzione, le prime batterie che utilizzano anodi di silicio avranno probabilmente applicazioni ad alte prestazioni: la Porsche, un produttore tedesco di auto sportive, è uno dei finanziatori dell’azienda.

Conclusioni

Lo sviluppo di tutte queste tecnologie di batterie rivali dipenderà dai prezzi dei materiali. L’uso crescente di sostanze più economiche, come il sodio, potrebbe comunque alleviare la pressione sulle forniture di litio, nichel e cobalto.

Lo stesso vale per il riciclo. Infatti, una quantità crescente di materiali per batterie proverrà da un numero sempre maggiore di veicoli elettrici che giungeranno a fine corsa. Scegliere i vincitori sarà una partita difficile, ma, come la fabbrica di Nysa, l’industria delle batterie ha bisogno di tutta la flessibilità possibile per affermarsi.

E dall’innovazione, come l’impiego del grafene, potranno arrivare molte risposte per rendere le auto elettriche più competitive. Nelle batterie al litio e nei supercondensatori, infatti, questo materiale ipersottile e monostrato, con una struttura a nido d’api, potrebbe ottimizzare la capacità di immagazzinamento e la velocità di ricarica. L’obiettivo è quello di creare in futuro batterie che si ricaricano in pochi minuti e durano molto più a lungo.

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