Nuove tecnologie per le batterie in arrivo sul mercato

Estensione delle capacità delle batterie agli ioni di litio

Attualmente la maggior parte dei veicoli elettrici utilizza batterie agli ioni di litio e probabilmente sarà così ancora per qualche anno. Questo nonostante non offrano prestazioni all'avanguardia e richiedano l'uso di metalli di terre rare come il litio e il cobalto. Inoltre, sono soggette a un certo degrado nel tempo.

Ma gli scienziati dell'Università del Colorado Boulder hanno identificato un nuovo approccio per migliorare la longevità e le prestazioni delle batterie agli ioni di litio, promettendo progressi significativi per i veicoli elettrici e le soluzioni di stoccaggio dell'energia.

Utilizzando una potente macchina a raggi X presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, in Illinois, il team di ricerca ha scoperto i meccanismi molecolari che contribuiscono al degrado delle batterie nel tempo. 

La ricerca, guidata dal professor Michael Toney del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica della CU Boulder, ha rivelato che le molecole di idrogeno dell'elettrolita della batteria inibiscono il movimento degli ioni di litio verso il catodo, essenziale per mantenere la corrente elettrica. Questa interruzione si traduce in una diminuzione della capacità della batteria, un fenomeno ben noto ma finora non del tutto compreso.

Attraverso un'analisi dettagliata, il team ha scoperto che le molecole di idrogeno occupano i siti sul catodo a cui gli ioni di litio si legano normalmente, riducendo così il numero di ioni di litio in grado di contribuire alla corrente elettrica. Per risolvere questo problema, i ricercatori suggeriscono che l'applicazione di uno speciale rivestimento al catodo potrebbe migliorare significativamente le prestazioni della batteria, aumentando potenzialmente l'autonomia delle auto elettriche fino a 60%.

Questo progresso è particolarmente importante per l'industria dei veicoli elettrici, che deve affrontare sfide come la limitata autonomia di guida, i costi di produzione più elevati e la durata di vita più breve dell'attuale tecnologia delle batterie. Attualmente, un tipico veicolo completamente elettrico può percorrere circa 250 miglia con una singola carica, circa 60% dell'autonomia dei veicoli a benzina.

Dato che il settore dei trasporti è responsabile del 28% delle emissioni di gas serra, l'estensione dell'autonomia dei veicoli elettrici e la riduzione dei loro costi sono esigenze urgenti. Molte case automobilistiche si sono impegnate a eliminare gradualmente le auto a benzina e ad aumentare la produzione di veicoli elettrici in risposta alle preoccupazioni sul cambiamento climatico.

Un ulteriore obiettivo dello studio del CU Boulder è la riduzione del cobalto nelle batterie agli ioni di litio. Il cobalto, un minerale scarso e costoso, è fondamentale per gli attuali progetti di batterie, ma presenta notevoli problemi etici e ambientali. La maggior parte del cobalto mondiale proviene dalla Repubblica Democratica del Congo, dove l'estrazione è stata collegata a gravi abusi dei diritti umani, tra cui il lavoro minorile.

Gli scienziati hanno esplorato alternative come il nichel e il magnesio per sostituire il cobalto. Tuttavia, queste alternative hanno mostrato tassi di autoscarica ancora più elevati, complicando ulteriormente gli sforzi per trovare una soluzione sostenibile.

"Stiamo aiutando a far progredire le batterie agli ioni di litio scoprendo i processi a livello molecolare coinvolti nella loro degradazione", ha dichiarato il professor Toney. "Avere una batteria migliore è molto importante per spostare la nostra infrastruttura energetica dai combustibili fossili a fonti di energia più rinnovabili".

Anche i ricercatori dell'Università di Stanford si sono occupati di come migliorare le batterie agli ioni di litio. Un team dello SLAC-Stanford Battery Center ha condotto uno studio in collaborazione con il Toyota Research Institute, il Massachusetts Institute of Technology (MIT) e l'Università di Washington per adattare il modo in cui vengono prodotte le batterie agli ioni di litio e prolungarne la durata complessiva.

Tradizionalmente, il processo di produzione delle batterie agli ioni di litio prevede una carica iniziale di 10 ore a bassa corrente. Questa fase è ritenuta essenziale per attenuare la perdita precoce di litio, che si ritiene possa prolungare la durata complessiva della batteria. Tuttavia, questa pratica richiede tempo e denaro, il che ha spinto i ricercatori a metterne in dubbio l'efficacia e a esplorare alternative.

Il team guidato da Stanford ha invece intrapreso un esperimento per caricare le batterie a una corrente elevata per soli 20 minuti. Questo metodo ha comportato una significativa perdita iniziale di litio. Sorprendentemente, però, ha prodotto un notevole prolungamento della vita media delle batterie EV, pari a 50%.

Batterie in fibra di carbonio?

I ricercatori dell'Università di Chalmers, in Svezia, hanno compiuto progressi significativi nelle batterie strutturali in fibra di carbonio, che combinano l'accumulo di energia con le proprietà di carico. Questa innovazione potrebbe rivoluzionare i veicoli elettrici integrando le batterie nelle loro strutture, riducendo il peso e migliorando l'efficienza energetica. 

L'ultima versione della batteria ha una densità energetica di 30 Wh/kg e una rigidità paragonabile a quella dell'alluminio, anche se ancora inferiore a quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio. Tuttavia, la riduzione di peso compensa questo aspetto, aumentando potenzialmente l'autonomia dei veicoli elettrici fino a 70%.

Incorporando l'accumulo di energia nella struttura di un veicolo, si riduce al minimo la necessità di componenti pesanti come i collettori di corrente e di metalli in conflitto come il cobalto e il manganese. Questo materiale a doppio uso migliora significativamente l'efficienza, la sicurezza e la sostenibilità. La tecnologia è la più avanzata nel campo fino ad oggi, e si basa su una ricerca iniziata nel 2018, quando la fibra di carbonio ha dimostrato per la prima volta di funzionare come elettrodo nelle batterie agli ioni di litio.

Le batterie strutturali offrono un futuro entusiasmante per le auto elettriche, i droni e altri dispositivi, consentendo progetti più leggeri ed efficienti che supportano la transizione verso tecnologie energetiche più pulite. Con l'avanzare dello sviluppo, queste batterie potrebbero svolgere un ruolo cruciale nella promozione del trasporto sostenibile.

Batterie allo stato solido

Le batterie allo stato solido sono una tecnologia di nuova generazione destinata a rivoluzionare i veicoli elettrici. A differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, che utilizzano elettroliti liquidi per trasferire la carica tra anodo e catodo, le batterie allo stato solido utilizzano un elettrolita solido. Questo design offre diversi vantaggi, tra cui una maggiore densità di energia, una maggiore sicurezza e tempi di ricarica più rapidi.

Uno dei vantaggi principali delle batterie allo stato solido è la loro potenziale maggiore autonomia. Con una maggiore densità energetica, queste batterie possono immagazzinare più energia nello stesso spazio, consentendo ai veicoli elettrici di viaggiare più a lungo con una singola carica... Mentre le batterie tradizionali agli ioni di litio forniscono un'autonomia tipica compresa tra 320 e 480 chilometri, le batterie allo stato solido potrebbero spingere l'autonomia fino a 800 chilometri o più, a seconda dei progressi della tecnologia.

Un altro vantaggio è la sicurezza. Le batterie agli ioni di litio presentano rischi di surriscaldamento e incendio a causa degli elettroliti liquidi, che sono infiammabili. Le batterie allo stato solido, invece, sono meno soggette a questi rischi perché l'elettrolita solido non è infiammabile, migliorando la sicurezza e la longevità complessive.

Diverse aziende sono all'avanguardia nello sviluppo di batterie allo stato solido e alcune puntano a commercializzarle entro la fine del decennio. Toyota ha effettuato investimenti significativi in questa tecnologia e punta a lanciare EV alimentati a stato solido entro il 2027. QuantumScape, una startup con sede negli Stati Uniti, è un altro attore chiave, che ha fatto passi da gigante nella creazione di batterie allo stato solido praticabili con una durata a lungo termine. Anche Volkswagen e BMW hanno investito molto in questa tecnologia, collaborando con startup e istituzioni accademiche per accelerare la ricerca e lo sviluppo.

Anche i leader del mercato della produzione di batterie, CATL e BYD, stanno lavorando allo sviluppo di batterie allo stato solido. Tuttavia, entrambe le aziende sono ancora più concentrate sulle tecnologie agli ioni di litio e al litio-ferro-fosfato nel breve termine, mentre la tecnologia allo stato solido matura.

Tempo di ricarica

Un'altra area di competizione tra le batterie è la ricarica superveloce.

StoreDot è all'avanguardia nello sviluppo della tecnologia delle batterie al silicio a ricarica estremamente rapida (XFC) per i veicoli elettrici. Recentemente è riuscita a creare una batteria prismatica in grado di caricare da 10% a 80% in soli 10 minuti. 

L'abilità ingegneristica di StoreDot ha permesso a queste celle XFC di fornire 100 miglia di carica in soli cinque minuti, con l'obiettivo futuro di ridurre questo tempo a quattro minuti entro il 2026. Queste batterie non presentano un degrado accelerato, un problema comunemente associato alla ricarica rapida.

Le celle XFC di StoreDot promettono una combinazione di alta densità energetica, fondamentale per le batterie EV ad alte prestazioni, e di robusta affidabilità senza un aumento dei costi. Questo progresso tecnologico è destinato a rendere i veicoli elettrici più accessibili per i produttori e, di conseguenza, per i consumatori.

Inoltre, StoreDot ha stretto una partnership con 15 produttori di apparecchiature originali (OEM) per testare e integrare le sue celle prismatiche XFC nell'architettura dei veicoli elettrici esistenti, trasformando potenzialmente il panorama del mercato. 

La tecnologia delle batterie appena presentata avrà un ruolo cruciale nel ridurre l'"ansia da ricarica" dei potenziali clienti di veicoli elettrici. Recenti sondaggi condotti nel Regno Unito e in Germania rivelano che oltre la metà degli intervistati esita a passare ai veicoli elettrici soprattutto a causa delle preoccupazioni legate ai tempi di ricarica. Questo nonostante i significativi investimenti effettuati dalle nazioni per espandere le infrastrutture di ricarica e soddisfare la crescente domanda. 

Questi sono solo alcuni esempi dell'innovazione in atto nel settore delle batterie. Dato che i produttori devono accelerare la diffusione dei veicoli elettrici nel resto del decennio, tutto ciò che può convincere gli automobilisti a passare all'auto è sicuramente una priorità assoluta. L'autonomia e la velocità di ricarica sono assolutamente cruciali per raggiungere questo obiettivo.