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Sviluppo di nuove batterie per auto elettriche
Le batterie agli ioni di litio continuano a dominare le auto elettriche
Il sistema di batterie delle auto elettriche rappresenta quasi il 40% dei costi del veicolo. Inoltre, spesso pesa 600 o più chilogrammi. L'ulteriore sviluppo del sistema di accumulo dell'elettricità è quindi di estrema importanza per il futuro della mobilità elettrica.
La Cina continua a dominare il mercato e l'intera catena del valore delle batterie agli ioni di litio. Sebbene il settore della ricerca sulle batterie sia attualmente coltivato in modo più dinamico che mai, gli Stati Uniti e l'Europa hanno difficoltà a liberarsi da questa dipendenza. In tutto il mondo si sta conducendo un'intensa attività di ricerca sulle batterie allo stato solido e su molti nuovi sistemi di batterie.
Tuttavia, la batteria agli ioni di litio rimarrà la tecnologia dominante nei prossimi anni. Per il momento, quindi, litio, cobalto, nichel, manganese e grafite rimarranno insostituibili per la produzione di celle per batterie. Dal punto di vista odierno, non ci si possono aspettare rapidi e importanti passi avanti nello sviluppo.
Grande necessità di ottimizzazione
Attualmente la grafite viene utilizzata come materiale attivo negli anodi delle celle agli ioni di litio, con un aggravio di peso di circa 60 kg per l'auto. Da qualche tempo, in via sperimentale, alla grafite viene aggiunta una piccola quantità di silicio. Questo permette di immagazzinare più energia. Tuttavia, il silicio cambia volume durante la carica e la scarica.
Questa cosiddetta respirazione porta a sollecitazioni meccaniche che compromettono la durata della cella. Per quanto riguarda il catodo, si sta lavorando per sostituire il cobalto con il manganese, più economico, e con proporzioni maggiori di nichel, tra le altre cose.
C'è una tendenza evidente verso le celle LFP. Il fatto che nel catodo venga utilizzato il fosfato di ferro e litio significa che queste celle non riescono a tenere il passo delle batterie NMC (nichel, manganese, cobalto) in termini di autonomia e capacità di carica. Tuttavia, sono più economiche e tendono a durare di più. Le attuali celle LFP hanno una densità energetica di circa 200 Wh/kg, circa il 20% in meno rispetto alle celle NMC.
I sistemi solidi hanno bisogno di tempo
Le batterie agli ioni di litio dovrebbero diventare molto più efficienti dal punto di vista energetico e più sicure grazie all'eliminazione dell'elettrolita liquido. La ricerca nel campo delle batterie allo stato solido comprende lo sviluppo di materiali elettrodici personalizzati e la costruzione delle celle. Contrariamente ai ripetuti annunci, tuttavia, è improbabile che i sistemi allo stato solido siano disponibili in un'auto di serie prima del 2030.
Sarà interessante vedere quale esperienza Mercedes trarrà dai test su strada appena iniziati con una EQS di nuova costruzione equipaggiata con una batteria allo stato solido. Mercedes dichiara una possibile densità energetica gravimetrica di 450 Wh/kg, che potrebbe consentire un'autonomia di circa 1'000 chilometri.
Nelle celle a stato solido, l'elettrolita liquido è sostituito da elettroliti semisolidi o solidi. Questi sistemi offrono generalmente densità energetiche più elevate e tempi di ricarica più brevi. Sono anche più sicuri grazie al minor rischio di incendio. Tuttavia, i sistemi allo stato solido utilizzano in gran parte le stesse sostanze chimiche delle batterie agli ioni di litio tradizionali e sono quindi soggetti alle stesse restrizioni in termini di materie prime. Per ragioni di costo, i materiali LFP sono interessanti anche per le batterie allo stato solido. Attualmente vengono presi in considerazione tre gruppi di materiali come elettroliti solidi: ossido, solfuro e polimero.
L'industrializzazione di questa tecnologia è ancora problematica, poiché ci sono ostacoli sia tecnici che finanziari da superare. Il materiale elettrolitico tende a gonfiarsi e a rompersi con un numero crescente di cicli di carica. Inoltre, la batteria allo stato solido richiede più litio per chilowattora rispetto a una batteria agli ioni di litio convenzionale ed è quindi più dipendente dal prezzo del litio.
Nuove soluzioni
Oltre alla batteria agli ioni di litio, si stanno studiando altri sistemi agli ioni di metallo. I preferiti sono le batterie agli ioni di sodio e di alluminio. Nel nuovo progetto Sodium-Ion-Battery (SIB: DE), ad esempio, l'Istituto Fraunhofer sta studiando le proprietà delle batterie agli ioni di sodio. A differenza del litio, il sodio è una materia prima economica, facilmente disponibile e sicura. Mentre il litio viene solitamente fornito da aziende asiatiche, i sistemi agli ioni di sodio possono ridurre questa dipendenza.
Nell'ambito del progetto SIB: DE, si stanno sviluppando celle che possono essere trasferite ai processi produttivi esistenti per le batterie agli ioni di litio. Si ritiene che i sistemi agli ioni di sodio abbiano un grande potenziale perché sono particolarmente sicuri, economici e durevoli.
A differenza del litio, il sodio può essere estratto da depositi naturali di sale in tutto il mondo con un minore impatto ambientale. Uno svantaggio della batteria agli ioni di sodio è la sua minore densità energetica rispetto alla batteria al litio. Ciò significa che la batteria al sodio richiede più spazio e aumenta il peso dell'auto. Tuttavia, i primi modelli di auto di piccole dimensioni con batterie agli ioni di sodio di HiNa e CATL sono già in produzione in Cina. Si dice che abbiano densità di energia fino a 160 Wh/kg.
In teoria, anche le batterie agli ioni di alluminio sono interessanti. Tuttavia, c'è ancora molta strada da fare prima che possano essere commercializzate, poiché i materiali del catodo e gli elettroliti pongono ancora grandi sfide.
Metallo speranzoso - aria
Nelle batterie metallo-aria, l'energia elettrica viene rilasciata attraverso la reazione chimica dei metalli con l'ossigeno. Attualmente è in corso un'intensa attività di ricerca per la realizzazione di batterie litio-aria. Grazie all'elevato potenziale elettrochimico, questi sistemi hanno un'alta densità energetica. Ciò potrebbe migliorare significativamente l'autonomia delle attuali auto elettriche.
Tuttavia, l'ulteriore sforzo tecnico necessario per purificare l'aria ridurrebbe la densità energetica a circa 1'000 Wh/kg. Attualmente si raggiungono densità energetiche di 800 Wh/kg.
Si stanno studiando anche batterie sodio-aria. La densità di energia teoricamente raggiungibile di queste batterie sarebbe circa la metà. Data la facile ed economica disponibilità del sodio, questi sistemi rappresentano comunque un'alternativa interessante, ma più che altro per applicazioni stazionarie. Gli scienziati hanno iniziato a studiare le batterie silicio-aria solo di recente, soprattutto perché le materie prime sono disponibili in grandi quantità.
Testo Stephan Hauri / Immagini zVg