Tecnologia 1
Questo post, su richiesta di
@GuidoP è rivolto a chi vuole approfondire su il futuro delle batterie e di come la ricerca sta lavorando e influirà sulla costruzione e sul tipo di batterie che potremmo avere a disposizione nei prossimi anni.
C'è da dire subito che il "pacchetto base" delle batterie rimarrà sostanzialmente lo stesso, un po come i motori termici hanno come pacchetto base cilindri e pistoni e sempre ci saranno, eccetto motore Wankel.
Quindi per ora l’industria si sta concentrando principalmente sull’ottimizzazione industriale delle attuali chimiche NMC (nikel, manganese, cobalto) e LFP (litio, ferro, fosfato), cercando di bilanciare tutti i fattori che compongono la costruzione di una batteria come la densità energetica, i costi e la loro sostenibilità.
La riduzione del contenuto di cobalto, l’uso di anodi in silicio e la riduzione di materiali critici sono al centro di questi sviluppi. In parallelo si sta progettando la prossima generazione di batterie che dovrebbe promettere un compromesso migliore tra prestazioni elevate, sicurezza e ridotto impatto ambientale.
Come accennato oggi sono principalmente due le tecnologie dove si concentra la produzione delle celle, soprattutto nel mercato di massa: LiFePO4 (LFP), e NMC, che se per un consumatore è solo una questione di scelta invece le sue chimiche rispondono a specifiche esigenze applicative.
La chimica LiFePO4 (LFP, litio-ferro-fosfato) sta guadagnando una quota crescente di mercato grazie alle sue caratteristiche di sicurezza, sostenibilità e lunghi cicli di vita, che le rende una scelta popolare per applicazioni che richiedono un buon bilancio tra costi e performance.
Tesla e BYD per esempio hanno già integrato batterie LFP all’interno della propria gamma mentre produttori come Ford e Renault hanno annunciato che ne avvieranno l’utilizzo a breve.
Inoltre, gli ultimi studi a livello industriale hanno dimostrato che la chimica LMFP (litio-manganese-ferro-fosfato) potrebbe avere risultati promettenti. Si tratta di una variante della chimica LFP in cui la concentrazione di manganese nel materiale catodico raggiunge l’80%, rispetto ai tradizionali valori compresi tra il 50% e il 70%.
Questa nuova configurazione mantiene il livello di sicurezza distintivo delle batterie LFP, con con un incremento stimato del 20% nell’autonomia.
La chimica NMC (nichel-manganese-cobalto) rimane una delle scelte principali grazie alla sua elevata densità energetica e alla capacità di erogare molta potenza. Di contro, queste batterie hanno un ciclo di vita più breve rispetto alle LFP e un impatto ambientale maggiore, dovuto alla presenza di cobalto.
Infatti uno dei maggiori obiettivi della ricverca è quello di ridurre la percentuale di questo componente critico e costoso.
Le prime furono le NMC111, in cui nichel, manganese e cobalto sono presenti in proporzioni uguali, recentemente si stanno utilizzando le NMC622 (60% nickel, 20% manganese e 20% cobalto) e le NMC811 dove viene ridotto il cobalto (10%), il manganese (10%), aumentando la proporzione di nichel (80%).
Questa chimica continuerà a rappresentare una delle tecnologie fondamentali per lo sviluppo di nuove applicazioni, grazie alla sua versatilità e alle prestazioni avanzate.
Diversi progetti collaborativi europei mirano inoltre a sviluppare batterie agli ioni di litio con elettroliti solidi, con o senza anodo di litio metallico. Un notevole passo avanti potrebbe essere inoltre la re introduzione degli anodi in silicio. Se le attuali batterie al litio sul mercato sono infatti principalmente composte da anodi in grafite, i prossimi passi nella ricerca sono mirati a combinare il tradizionale anodo in grafite con una percentuale di silicio.
Le batterie allo stato solido con litio metallico avrebbero infatti il potenziale per raggiungere una densità energetica due volte superiore a quelle attuali.
Il futuro :
Se le batterie al litio-ioni rappresentano oggi una tecnologia consolidata, la ricerca sta già guardando oltre, sviluppando soluzioni innovative che superano i limiti attuali. Si parla infatti di chimiche definite post-litio ioni che pur essendo già esistenti non sono ancora diffuse su larga scala a livello produttivo.
Tra queste, le batterie al litio allo stato solido (Li-ASSB) con anodo in litio metallico promettono significativi vantaggi in termini di efficienza e sicurezza. Sebbene non ancora pienamente adottate per la trazione, queste soluzioni trovano già applicazione in dispositivi come smartphone e droni.
Guardando ancora più avanti nel tempo, le roadmap tecnologiche prevedono l’introduzione della chimica litio-aria, una soluzione che sfrutterebbe la reazione tra il litio metallico e l’ossigeno presente nell’aria. Questo approccio potrebbe portare a un aumento significativo della densità energetica e delle performance delle batterie. Tuttavia, ad oggi, si tratta ancora di una prospettiva distante, che necessita di ulteriori studi e sperimentazioni prima di poter diventare una realtà concreta.
Le batterie al Sodio : attese sul mercato da un po di anni ormai sebbene non possano competere con le prestazioni del litio in termini di potenza e densità energetica, potrebbero comunque rappresentare un’alternativa potenzialmente più economica rispetto al litio, pur non potendo eguagliarne le prestazioni in termini di densità energetica.
Se con lo sviluppo della ricerca le celle al sodio diventassero competitive anche sul fronte della durata dei cicli di vita, i costi ridotti e la ridotta densità energetica le renderebbero una tecnologia indicata per utilizzi come soluzioni stazionarie o veicoli elettrici entry-level con autonomie limitate.
Tuttavia, ad oggi, la densità volumetrica si attesta a circa la metà di quella offerta dalla chimica LFP e, non essendo ancora nella fase di produzione su larga scala, i costi attuali delle batterie al sodio superano ancora quelli delle batterie LFP, rendendo difficile al momento una competitività economica concreta.
