Roma, 18/06/2024
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La nuova frontiera delle batterie, la tecnologia litio-zolfo. Anche l’Italia si muove

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Un’ulteriore innovazione nel campo delle batterie è rappresentata dal litio-zolfo, potenziale alternativa alle tecnologie agli ioni di litio e litio-ferro-fosfato. La ricerca è agli stadi iniziali, ma promette batterie con maggiore densità energetica e molto meno costose

Abbiamo parlato diverse volte dell’evoluzione delle batterie che animano le vetture elettriche: attualmente lo stato dell’arte è la tecnologia agli ioni di litio, ma si approssimano sempre di più quelle a stato solido ed altre che battono terreni alternativi in termini di metalli ed elementi alla loro base.

Ad esempio, sono entrate a regime combinazioni come quella litio-ferro-fosfato già sfruttata dalla Cina e che in Occidente sta iniziando timidamente a farsi strada in termini di produzione propria grazie a Ford, oppure ci sono studi su alternative come la combinazione litio-aria o l’utilizzo di elementi non scarsi in natura e convenienti dal punto di vista economico come il sale, l’alluminio e lo zolfo che il MIT ha individuato per una tipologia di batteria efficiente e a basso costo.

Batterie al litio-zolfo: il progetto di ricerca di una start-up

Un’altra strada da battere per migliorare ulteriormente prestazioni ed economicità delle batterie potrebbe essere il litio-zolfo, su cui sta lavorando una start-up californiana, Lyten: la corsa al post-ioni di litio insomma è una bagarre in pieno svolgimento, alla ricerca in particolare di elementi che possano essere abbondanti in natura e che consentano anche ad altri Paesi di emanciparsi dalla dipendenza cinese, leader nell’estrazione e raffinazione.

I vantaggi dello zolfo per le batterie

Lo zolfo in particolare è facilmente reperibile vista la sua quantità sul nostro pianeta (quinto metallo più comune sulla Terra e decimo nell’universo conosciuto), oltre ad essere più economico in termini di estrazione rispetto ad altri elementi. La sua combinazione con il litio potrebbe consentire una maggiore densità di energia rispetto alle tradizionali batterie, e supererebbe gli aspetti critici delle attuali agli ioni di litio che dipendono dal nichel, decisamente meno abbondante in natura rispetto allo zolfo, così come il cobalto che si estrae per larga parte nella Repubblica Democratica del Congo, con tutti i problemi legati al rispetto dei diritti umani.

Le batterie al litio-zolfo (con quest’ultimo elemento utilizzato a mo’ di catodo) invece potrebbero rappresentare anche una valida alternativa economica, con un costo inferiore ai 150 dollari per kWh richiesti dagli ioni di litio. Si stima inoltre che l’elevata densità energetica potrebbe consentire ai veicoli elettrici una autonomia maggiore rispetto ai circa 480 km che si possono percorrere con una carica con le batterie tradizionali.

Gli aspetti critici

Fermo restando gli ingenti incentivi che ad esempio negli Stati Uniti sono stati sbloccati con lInflation Reduction Act del 2022 per dare una spinta alla transizione ecologica, c’è da dire che le batterie al litio-zolfo per ora restano un progetto in fase di studio, in attesa possano essere implementate per rendere possibile una produzione su scala industriale.

Inoltre, lo zolfo presenta un piccolo inconveniente che dipende dalle ricariche, che lo fanno cambiare di stato (da solido a liquido e viceversa) a seconda dei cicli di carica e scarica. I primi tentativi di creazione di una batteria al litio-zolfo, riporta Greenbiz.com, hanno inoltre visto lo zolfo dissolversi nell’elettrolita (il cosiddetto effetto shuttle, ovvero la produzione di polisolfuri di litio da parte dello zolfo del catodo, solubili nell’elettrolita), mentre altri esperimenti hanno dato come esiti batterie non efficienti che tra l’altro sono a rischio di sviluppo di dendriti, che inficiano il corretto funzionamento della batteria.

La soluzione proposta da Lyten e dall’Argonne National Laboratory

Lyten, che può contare anche su una raccolta di finanziamenti che ad oggi è arrivata ad oltre 200 milioni di dollari, è riuscita a trovare una quadra grazie al grafene, che stabilizza lo zolfo nella batteria e riesce anche a svolgere un buon lavoro da conduttore. Dalla start-up confidano nella realizzazione di una cella funzionante nel giro di un anno.

Sempre dagli Stati Uniti, e per la precisione dall’importante centro di ricerca dell’Argonne National Laboratory in Illinois, si è riusciti a sviluppare una batteria inserendo uno strato poroso contenente zolfo all’interno, con l’obiettivo di proteggere i materiali dal rischio dendriti, che “è stata in grado di caricarsi e scaricarsi 700 volte”, spingendo i ricercatori a proseguire nello sviluppo di celle che possano essere poi proposte a privati ed aziende.

L’Europa e l’Italia: il progetto LISA e lo studio dell’ENEA

Ma anche l’Europa si sta muovendo in questo settore, come dimostra il progetto LISA finanziato dall’UE e che sfrutta “elettroliti a stato solido e non infiammabili”. L’iniziativa si è conclusa nel dicembre 2022, con un contributo UE pari a 7.920.587,50 euro e ha mirato a risolvere “specifici problemi del litio-zolfo relativi alla protezione metallica del litio, alla potenza, alla densità di energia volumetrica e ai costi, che sono tutti criteri di selezione essenziali per le celle dei veicoli elettrici“.

Anche l’Italia potrebbe ritrovarsi tra le mani un asset importante come i giacimenti di zolfo concentrati principalmente in Sicilia (spicca il bacino di Caltanissetta, un’area di ben 5000 km2 tra le province di Enna, Agrigento e Caltanissetta): inoltre l’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA) ed il Politecnico di Torino fanno parte del progetto europeo Battery2030+, che mira ad innovare il settore delle batterie con soluzioni d’avanguardia per la loro efficienza ed affidabilità, oltre a renderle sostenibili dal punto di vista ambientale. Un settore che entro il 2025, secondo stime UE, potrebbe generare un giro d’affari pari a circa 250 miliardi di euro con 5 milioni di posti di lavoro creati.

Gian Piero Celata, già presidente ENEA, nel 2019 aveva spiegato che l’Agenzia stava portando avanti degli studi “sulle batterie allo zolfo e agli ioni di sodio che in futuro potranno sostituire gli ioni di litio principalmente nell’uso stazionario ma anche nella mobilità elettrica, con numerosi vantaggi in termini di sicurezza, riduzione dei costi di produzione e soprattutto di prestazioni, con tempi di ricarica più brevi e autonomia maggiore”. In particolare, i ricercatori ENEA avevano puntato su anodi di nanoparticelle in carbonio per scongiurare l’effetto shuttle ed inibire i polisolfuri di litio.

Sia chiara però una cosa: le attuali batterie agli ioni di litio sono frutto di un trentennio di progressi, perciò è difficile ritenere un arrivo sul mercato in tempi brevi delle nuove generazioni al litio-zolfo. Inoltre, vista la loro alta densità energetica rispetto a quelle attualmente in circolazione, queste batterie potrebbero essere indirizzate ad alimentare veicoli leggeri, come i droni. Per ora la tecnologia più affidabile e più commercializzabile resta quella al litio-ferro-fosfato, evoluzione delle batterie agli ioni di litio su cui sta puntando ad esempio Tesla per le proprie auto (abbandonando così la combinazione con nichel e cobalto).

Lo sviluppo delle nuove generazioni di celle che hanno eliminato il cobalto, oltre ad aumentare il ciclo di vita delle batterie (oltre 4000 cicli di ricarica), risulta anche più facile e sicuro per il riciclo e meno impattante per l’ambiente. Si stima che, annualmente, nel 2030 sarà possibile recuperare tra i 400 e i 500 milioni di euro (a prezzi correnti) considerando solo alluminio, cobalto, nichel e litio. Ma già nel 2025 le batterie che arriveranno a fine vita costituiranno circa 800.000 tonnellate di minerali da dover smaltire e recuperare. Davide Pesce di Sunlight Italy spiega che il riciclo dei materiali non è l’unico modo per recuperare le batterie non più performanti: “È possibile, infatti, disassemblare le celle di litio e riutilizzarle per applicazioni in cui non sono più necessarie performance di accumulo ad alto livello, come per il settore Energy storage domestico“.

Immagine di copertina: formulazioni di batterie (Lyten)

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