Secondo le stime, la domanda di accumulo di energia mondiale passerà da 500 GWh nel 2022 a oltre 3 TWh nel 2030. A determinare l’aumento saranno soprattutto le norme zero-emissioni che incentivano le vendite di veicoli elettrici nelle maggiori economie mondiali
Le batterie ricaricabili, anche dette secondarie, hanno un ruolo cruciale nel realizzare una società a zero emissioni. Di conseguenza, ridurne i costi associati è una priorità del presente per incoraggiare un’adozione di massa dei veicoli elettrici. Ecco sei tra le tendenze e le soluzioni più all’avanguardia del settore per la produzione di batterie, che i produttori di EV devono tenere d’occhio per guidare l’ampia adozione di veicoli elettrici.
Le celle LFP guadagnano popolarità sulle NMC
Ad oggi, le più comuni tra le batterie ricaribili sono le batterie agli ioni di litio con catodi al Nichel-Manganese-Cobalto, detti NMC, o a Litio-Ferro-Fosfato, detti LFP, e anodi in grafite.
In anni recenti, i produttori di veicoli elettrici hanno aumentato i livelli di nichel nelle batterie NMC (da Mid-Ni a High-Ni) per i modelli EV medium e premium con maggiore densità energetica e sono passati all’utilizzo delle LFP nelle versioni entry-level per mantenere una parità di prezzi con i veicoli a combustione interna.
Aziende leader nell’industria dei veicoli elettrici come LG, ES e SK hanno confermato di utilizzare batterie LFP (Litio-Ferro-Fosfato), già presenti in metà dei veicoli Tesla venduti nel primo quadrimestre del 2022.
Minore rischio d’incendio, costi più bassi e un ciclo di vita più lungo: sono questi i vantaggi delle LFP ed il motivo per cui stanno guadagnando popolarità a scapito delle NMC (Nichel-Manganese-Cobalto) per alimentare i veicoli ad uso commerciale ed i sistemi di accumulo di energia.
Ci sono inoltre nuove soluzioni che compensano significativamente gli svantaggi legati alla densità energetica delle LFP: ad esempio, la nuova tecnologia cell-to-pack (CTP) che aumenta lo spazio a disposizione delle celle, oppure l’utilizzo di una batteria strutturale e celle di dimensioni maggiori.
Nuove composizioni chimiche delle celle per abbattere i costi
Per rimanere competitivi rispetto ai motori a combustione interna, senza ricorso ad incentivi, i prezzi del pacco batteria dovranno rimanere sotto i $100/kWh, ovvero circa 96 euro al kWh, (rispetto ai quasi 124 euro del 2021, secondo i dati BloombergNEF).
Il contesto complesso dell’ultimo anno – con prezzi delle batterie in aumento, limitazioni dovute alla pandemia, la guerra in Ucraina e preoccupazioni legate alla disponibilità della filiera di estrazione del cobalto – ha portato molti produttori di apparecchiature originali, i cosiddetti OEM (Original Equipment Manufacturer), a cimentarsi in iniziative strategiche per esplorare composizioni chimiche e tecnologie nuove.
I produttori di batterie hanno iniziato a testare l’uso di catodi ricchi di manganese e privi di cobalto per ridurre i costi e bypassare eventuali limitazioni della filiera. Si tratta delle celle
- LMFP, Litio-Manganese-Ferro-Fosfato,
- NMx, Nichel-Manganese,
- e LNMO, Ossido di Litio-Nichel-Manganese-Ferro-Fosfato.
Aziende come CATL, Samsung, Panasonic e SVOLT stanno lavorando su queste combinazioni, con aspettative di lancio sul mercato già a partire dal 2023.
La ricerca nel settore punta anche ad aumentare la capacità delle celle tramite materiali anodici, materiali compositi in silicio-grafite, e anodi in silicio puro per affrontare i problemi della densità energetica e della velocità di ricarica delle batterie, così come della carenza di grafite nella filiera.
La gran parte dei produttori di celle per batterie hanno obiettivi di utilizzo di silicio dal 5 al 10% nella loro roadmap, mentre startup come Sila Technologies, Enevate, Storedot e Group 14 stanno già sviluppando soluzioni di materiali anodici con quantità elevate di silicio e hanno ricevuto investimenti strategici dai produttori di apparecchiature originali.
Invece, le batterie LTO (Litio-Titanato) vantano un lungo ciclo di vita e vantaggi sul costo d’uso, e hanno un uso di nicchia, efficiente soprattutto per applicazioni in veicoli commerciali e sistemi di accumulo energetico (ESS). Gli sviluppi delle LTO potranno decisamente contribuire ad accelerare l’adozione di veicoli elettrici riducendo l’impatto operativo dei tempi di attesa.
Ci sono poi gli anodi a base di niobio che stanno acquisendo popolarità come sostituiti dell’attuale composizione LTO nelle applicazioni di ricarica rapida, con l’obiettivo di ridurre i costi di sistema grazie alla loro capacità di accumulo.
L’evoluzione delle batterie allo stato solido
Le batterie allo stato solido (SSB) stanno ricevendo molta attenzione dal mondo accademico e d’impresa: secondo uno studio dell’istituto di ricerca tedesco Fraunhofer, si stima una commercializzazione su larga scala da parte dei maggiori stakeholder entro i prossimi dieci anni, grazie al loro grande potenziale. Gli stessi ricercatori sottolineano le proprietà che permetteranno, pur necessitando la messa a punto della composizione dell’elettrolita solido, di renderle gradualmente preferibili alle batterie agli ioni di litio: prima fra tutte, la maggiore densità energetica, insieme ad una ridotta infiammabilità, tempi di ricarica più rapidi e maggiore durata (dovuta al minore degrado della struttura interna).
Startup come Prologium, Solid Power e QuantumScape hanno infatti già ricevuto investimenti strategici da parte dei produttori per condurre ricerche sulle SSB (Solid State Battery) e trovare soluzioni agli attuali ostacoli alla commercializzazione.
Grazie alla loro maggiore resistenza alla penetrazione dei dendriti, le SSB avranno probabilmente maggior favore di pubblico negli Stati Uniti e nell’Unione europea per applicazioni che richiedono alta densità energetica e lunga durata, ed in particolare per i veicoli premium e ad uso commerciale. Ma saranno necessari cambiamenti significativi per preparare altre componenti, come elettrodi e separatori, all’utilizzo nelle SSB. Composizioni chimiche a base di litio e altri elementi come le batterie litio-zolfo e litio-aria sono invece alle prime fasi di sviluppo, con la combinazione litio-metallo in testa come previsioni di potenziale.
Quelle al sodio sono sulla bocca di tutti
Una delle tecnologie più di tendenza nel settore: le batterie agli ioni di sodio, che possono far leva sull’ampia disponibilità del metallo e sul desiderio di ridurre la dipendenza dal litio per la produzione di batterie. Ma la loro densità energetica è nettamente più bassa di quella delle batterie agli ioni di litio, limitando la loro applicazione ai sistemi di accumulo energetico (ESS) e a segmenti entry-level a 2W.
Celle: oltre alla composizione chimica c’è di più
L’innovazione delle batterie non si riduce al solo – pur fondamentale – sviluppo dei materiali. Ad esempio, la tecnologia cell-to-pack (che BYD, Tesla e CATL stanno testando) può essere una soluzione per ridurre l’uso di materiali inattivi – ovvero quelle componenti che non portano energia – nell’assemblaggio delle batterie. Infatti, la maggiore semplicità costruttiva di collegamento delle celle, direttamente collegate tra loro e in assenza di moduli, permetterebbe di sfruttare meglio le dimensioni del veicolo per immagazzinare energia.
Si aggiunge poi la tecnica cell-to-chassis (CTC) in cui i moduli vengono inseriti direttamente negli spazi del telaio e non risultano più come un corpo separato.
I produttori stanno anche adottando celle di maggiori dimensioni per incorporare materiali più attivi e ridurre gli sprechi per gli involucri. È questo il caso del design per celle Tesla denominato tabless 4680, che integra i tab (o collettori di corrente, che collegano anodo e catodo agli elettrodi esterni) nel foglio dell’anodo, riducendo il percorso degli elettroni e permettendo tempi di ricarica molto rapidi, insieme a maggiori autonomia e densità energetica. Lo vediamo così guadagnare sempre più consenso tra aziende come CATL, LG e Samsung, che si uniscono a Panasonic nella fornitura di batterie 46xx, ispirate al diametro delle 4680 introdotte da Tesla.
Il nuovo sistema degli elettrodi a secco per ridurre i costi
Lo sviluppo di elettrodi a secco e la pre-litizzazzione di anodi nella produzione di celle sono entrambi progressi notevoli verso una riduzione del costo delle batterie.
L’utilizzo dell’elettrodo a secco non solo elimina il bisogno di utilizzare solventi tossici (solitamente l’NMP, o N-metil-2-pirrolidone) durante la produzione, ma dimezza anche i costi della batteria. Marchi come Volkswagen, Freyr, Fujifilm e Lucas TVS hanno già richiesto l’autorizzazione della produttrice di batterie statunitense 24M Technologies per utilizzare il processo.
Anche Tesla sta lavorando a un sistema con elettrodi a secco – con la tecnologia ideata da Maxwell Technologies – nella sua batteria strutturale con le celle tabless 4680. Malgrado gli impegni di immettere sul mercato il suo processo entro il 2025, arrivare a un volume di voltaggio a GWh sarà forse più complesso ma fondamentale per un processo di industrializzazione riuscito.
Innovazioni modulabili e sostenibili
In breve, le innovazioni e le migliorie in corso interessano ogni segmento della batteria, guidando progressi tecnologici e riduzione dei costi (e perciò, maggiore accessibilità) degli EV rispetto ai veicoli a combustione interna.
È impossibile aspettarsi un’unica soluzione a tutti i problemi citati: alcune di queste idee innovative governeranno il mercato, mentre altre ne interesseranno solo alcune porzioni.
Qualsiasi siano le tecnologie del futuro, che sostituiranno quelle attuali, dovranno essere sufficientemente modulabili in modo da rispondere ai bisogni del mercato, e sufficientemente sostenibili da competere con le tecnologie esistenti.
