Sicurezza delle catene di approvvigionamento ed efficienza sono i due motori che guidano l’innovazione nel mondo delle batterie e dei sistemi di accumulo
Le batterie sono oggi una parte importante del sistema energetico globale e sono destinate a svolgere un ruolo critico nella transizione energetica. Sia nel settore dei trasporti che in quello dell’energia esse stanno diventando sempre più diffuse: l’aumento dei veicoli elettrici su strada e delle applicazioni di accumulo nei sistemi energetici ne stanno spingendo la domanda globale. Tale diffusione è sostenuta anche dalla riduzione dei loro costi e dall’aumento della quota di elettricità generata da energia solare ed eolica che necessita sempre piú di sistemi di accumulo[1].
“Houston, we have a problem!”
Per quanto riguarda la chimica, oggi le batterie agli ioni di litio costituiscono la stragrande maggioranza delle batterie utilizzate. Sotto questo nome vengono raggruppate una serie di “chimiche diverse”, che però si basano tutte sull’utilizzo di litio e, in parti diverse, anche di cobalto, nickel, manganese, grafite (figura 1). Questo fatto rappresenta un problema di sicurezza degli approvvigionamenti perché oggi produzione e lavorazione di questi materiali sono geograficamente molto concentrate: nel 2019 la Cina è stata responsabile di circa il 60% della produzione globale di cobalto e di terre rare; la Nazione raffina circa il 35% del nichel e il 50-70% di litio e cobalto e detiene quasi l’85% della capacità produttiva globale di celle per batterie[2]. Europa, Stati Uniti e Corea detengono ciascuno il 10% o meno della catena di approvvigionamento di alcuni metalli e celle per batterie. Di fatto, oggi, ogni fase della produzione di batterie – dall’estrazione dei minerali all’utilizzo di sostanze chimiche di alta qualità per la produzione dei componenti della batteria finale – presenta un elevato grado di concentrazione geografica in cui l’Europa non figura avere un ruolo importante. Questa dipendenza, forse prima di altri motivi, è la spinta al cambiamento e all’ innovazione: da una parte verso l’ ottimizzazione delle tecnologie esistenti, dall’altro verso lo sviluppo di nuove tecnologie per le batterie (figura 2).
Nuove “chimiche” per il catodo
In termini di chimica, il catodo è sicuramente una parte della batteria su cui si concentra molto dell’interesse della ricerca. In tutte le batterie cosiddette agli ioni di litio questo materiale è una parte importante del catodo, accompagnato in quantità variabili da nickel, manganese, cobalto. La ricerca per sostituire o diminuire questi minerali ha portato a diverse soluzioni: a batterie gli ioni metallici, al metallo-zolfo, al metallo-aria e di flusso redox, tutte soluzioni che, secondo l’Istituto di Ricerca Fraunhofer ISI, potrebbero risultare sostituti interessanti delle batterie al litio, in mercati e applicazioni specifici.
Le batterie agli ioni di sodio hanno suscitato un notevole interesse da parte dei produttori perché non richiedono minerali critici e costosi come il litio – che verrebbe sostituito dal più comune e meno costoso sodio. Questo, oltre a diminuire la dipendenza da materiali specifici, potrebbe contribuire ad abbassare i costi di produzione. Inoltre, tali batterie potrebbero essere prodotte sulle stesse linee di produzione delle batterie al litio, il che ne faciliterebbe la produzione industrializzata, qualora si arrivasse a una soluzione valida. Tuttavia vi sono ancora alcuni aspetti da risolvere: la loro densità energetica arriva per ora solo ai 2/3 di quella delle batterie al litio e ciò non le rende davvero appetibili per l´industria automotive[3].
Le batterie metallo-aria prevedono l´utilizzo di un metallo – che potrebbe essere litio, ma anche sodio, ferro o potassio – che reagisce con ossigeno, dando origine a reazioni ossidative reversibili. Qui la ricerca è molto intensa e negli anni ha proposto una serie di prodotti come le litio-aria, le zinco-aria o le potassio-aria. Tutte innovazioni promettenti che, tuttavia, presentano a livello pratico una serie di complicazioni legate agli elettrodi, alla reattività dell´ossigeno che crea propblemi di corrosione, ai catalizzatori e agli elettroliti impiegati.
La combinazione Litio-Zolfo è un´altra chimica che desta interesse: introduce lo zolfo al posto del cobalto (al catodo) e ha una densità energetica molto interessante, addirittura più del doppio delle batterie a ioni di litio. Fino ad ora non hanno conquistato il mercato per la loro durata troppo breve anche se oggi alcuni attori affermano di poter portare a breve sul mercato una batteria di questo tipo che riesce però a durare fino a 1000 cicli di ricarica. Se ne sta avviando la valutazione commerciale e l’adozione da parte di diversi leader del settore[4].
Verso gli anodi in silicio?
Se molta ricerca e i maggiori miglioramenti si sono verificati soprattutto sul lato del catodo in ossido di litio, molto meno è stato fatto sul lato anodo che oggi consiste ancora nella maggior parte dei casi in grafite. Su tempi non troppo lunghi, però, si prospetta la possibilità di usare nanotecnologie al silicio agli anodi, anche in composizione con carbonio. Si tratta di una soluzione che sembra offrire una densità energetica fino al 50% superiore rispetto a quella della grafite convenzionale, consentendo di realizzare batterie al litio-silicio e di compiere un passo avanti nell’immagazzinamento dell’energia[5]. Queste soluzioni al silicio non sono molto lontane dal mercato: alcune case automobilistiche potrebbero già averle a bordo entro il 2026[6].
Batterie a flusso per l´accumulo stazionario
Le batterie a flusso potrebbero diventare una alternativa agli ioni di litio per i sistemi di accumulo stazionario. Si tratta di batterie in cui gli elettroliti liquidi sono stoccati in serbatoi separati, per poi fluire (da qui il nome) nella cella centrale, dove sono messi a reagire nella fase di carica e scarica[7]. Hanno proprietà interessanti quali la durata, materie prime comuni che non presentano difficoltà di approvvigionamento, la facile riciclabilità e l’elevata sicurezza. In questa classe la tecnologia più matura vede l’utilizzo del vanadio come elemento principale. Le barriere alla loro diffusione oggi sono principalmente economiche ma i segnali di un’attività continua da parte dei principali operatori suggeriscono che questa tecnologia continuerà a essere impiegata. Un report della società di ricerche di mercato IDTechEx stima che le batterie a flusso avranno un giro di affari di 2,8 miliardi di dollari entro il 2034[8].
Stato solido: aumentare la durata per ridurre la dipendenza
Prolungare la durata delle grandi batterie è un modo indiretto per diminuire la dipendenza da approvvigionamenti di materia prima. Tra le tecnologie emergenti in questa direzione vi sono le batterie allo stato solido. Si tratta sempre di batterie al litio dove però si utilizzano elettroliti solidi o quasi solidi al posto dei tradizionali elettroliti liquidi. Questo aumenta
la densità energetica delle celle e la loro sicurezza grazie a una ridotta infiammabilità. Tuttavia queste batterie presentano ancora alcune sfide in termini di integrazione a livello di pacco: sottostanno a pressioni di pila che oggi sono circa un ordine di grandezza più alte rispetto alle batterie tradizionali. La soluzione di queste sfide porta a sviluppi che rendono in ultima analisi le batterie a stato solido per ora più costose di quelle al litio, limitando di fatto per ora il loro ruolo nel mercato. Ciononostante – si legge nel rapporto IEA – vale la pena sostenere lo sviluppo di queste batterie, in particolare per le applicazioni che richiedono una guida a lungo raggio, come gli autocarri elettrici per il trasporto di merci medie e pesanti, soprattutto nei mercati in cui è probabile che la creazione di infrastrutture di ricarica diffuse o la sostituzione delle batterie incontrino difficoltà. Le batterie allo stato solido sono dunque promettenti per applicazioni ad alta densità energetica come i veicoli elettrici, meno per l’accumulo di batterie nel settore dell’energia, dove la densità energetica è una considerazione meno importante rispetto a quanto lo sia per l’automotive.
Migliorare i sistemi di produzione
L´Europa sta investendo ingenti somme di denaro nella costruzione di impianti per la produzione di celle, l’assemblaggio e il riciclo delle batterie[9], per diventare un luogo di produzione chiave. La produzione europea deve soddisfare elevati requisiti di qualità, sostenibilità e stabilità dei processi. La digitalizzazione offre strumenti importanti per una valutazione orientata al ciclo di vita, per l’ottimizzazione dell’utilizzo dei materiali, della produzione e della conformità ambientale dei sistemi di accumulo di energia. I gemelli digitali (DT) possono essere utilizzati per migliorare la qualità dei prodotti e aumentare l’efficienza delle risorse nella produzione. Nonostante tutti i vantaggi che essi possono portare, l’implementazione dei gemelli digitali nella produzione di celle per batterie non si rivela un compito facile, in quanto vi è un gran numero di oggetti fisici che devono essere collegati. L’istituto di ricerca Fraunhofer per la produzione di celle per batterie FFB, insieme ad altri otto istituti di ricerca, ha sviluppato il concetto di gemello digitale per la produzione di celle per batterie, distinguendo tra gemello digitale dell’impianto, gemello digitale del prodotto e gemello digitale dell’edificio e sta attivando l’implementazione pratica del concetto[10] (figura 3).
Importanti risultati si stanno ottenendo anche nell´ottimizzazione dei processi di produzione per ridurre il consumo energetico delle varie fasi di produzione. La riduzione del consumo energetico in tutte le fasi di produzione è al centro degli sforzi dei produttori europei di celle. Innovazioni tecnologiche, come l’essiccazione al laser del rivestimento degli elettrodi, potrebbero ridurre i costi energetici totali della produzione di celle fino al 10% (figura 4).
Non solo tecnologia
A conclusione di questa breve e non esaustiva carrellata sulle nuove tecnologie in ambito batterie non possiamo tralasciare di accennare a riciclo e rigenerazione delle batterie. Si tratta di passaggi che, insieme a nuove chimiche, contribuiranno a ridurre l’eccessiva dipendenza da una manciata di ingredienti chiave. Sono settori in cui vi è moltissima innovazione per ottimizzare il recupero e il riutilizzo dei materiali. Le opportunità derivanti dalla gestione delle batterie a fine vita stanno già iniziando a incentivare gli attori tradizionali della catena del valore a estendere le proprie competenze in ruoli adiacenti.
[1] IEA (2024), Batteries and Secure Energy Transitions, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/batteries-and-secure-energy-transitions, Licence: CC BY 4.0
[2] IEA (2021), The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions, Licence: CC BY 4.0
[3] “Elektromobilität – Grundlagen einer Fortschrittstechnologie” 2024. Editors: Achim Kampker, Heiner Hans Heimes. Open Access: https://doi.org/10.1007/978-3-662-65812-3
[4] https://lyten.com/
[5] https://www.group14.technology/
[6] https://spectrum.ieee.org/silicon-anode-battery
[7] https://www.enelgreenpower.com/
[8] https://www.prnewswire.com/news-releases/idtechex-discusses-future-market-penetration-of-the-redox-flow-battery-302127415.html
[9] https://mobilityportal.eu/europe-250-battery-factories-by-2033-confirmed/
[10] https://www.ffb.fraunhofer.de/en/press/whitepaper_digitaltwins.html
