Tutte le tecnologie per le batterie del futuro

Le batterie al litio hanno reso possibile un salto tecnologico nel processo di elettrificazione dei mezzi di trasporto, grazie alle prestazioni superiori rispetto alle composizioni chimiche tradizionalmente utilizzate in passato (come piombo, zolfo-sodio e nichel-zinco). Tuttavia, questo elemento strategico per la manifattura degli accumulatori (così come il cobalto) presenta criticità geopolitiche, economiche e ambientali nella catena di approvvigionamento. Per esempio, secondo il rapporto Global Lithium-Ion Battery Supply Chain Ranking di BloombergNEF, la Cina, nel 2020, ha prodotto il 60% dei componenti delle batterie al litio e circa l’80% delle celle. Inoltre, secondo l’analista Kwasi Ampofo, la produzione di litio, per far fronte alla richiesta, “potrebbe crescere di sette volte tra il 2020 e il 2030”. 

La ricerca di alternative diventa così prioritaria, come dimostra l’accordo di collaborazione, annunciato lo scorso marzo, tra l’European Battery Alliance e l’U.S. Li-Bridge Alliance per “accelerare lo sviluppo di stabili catene di approvvigionamento per batterie agli ioni di litio e di nuova generazione, compresi i segmenti critici delle materie prime”. Scopriamo insieme le tecnologie che sono oggi le migliori candidate a cambiare questo settore e il mondo della mobilità elettrica. Non solo come parti strutturali dei veicoli, ma anche come strumenti per l’immagazzinamento di energia (prodotta ad esempio da fonti rinnovabili, come gli impianti fotovoltaici sui tetti degli immobili) con cui rifornirli. \

A idrogeno

L’azienda trentina Green Energy Storage (GES) si propone di evolvere le batterie a flusso redox (RFB – Redox Flow Batteries) mediante una nuova architettura con elevata densità energetica, in grado di confrontarsi con gli accumulatori aglio ioni di litio. Nel dettaglio, la società ha sviluppato una batteria a idrogeno basata su un sistema ibrido, in cui è presente l’idrogeno insieme a un elettrolita liquido brevettato “ampiamente disponibile a basso costo in Europa, sicuro ed ecosostenibile”. In tal modo, la batteria autoproduce l’idrogeno necessario per un circuito chiuso di scarica/carica. Questa tipologia di batteria ha una vita utile di circa 15/20 anni e un Levelized Cost Of Storage più competitivo rispetto alla tecnologia al litio. Inoltre, può operare a temperatura ambiente, senza essere soggetta a surriscaldamento. E, grazie alla propria composizione chimica, permette la formazione di una filiera stabile, dall’approvvigionamento delle materie prime al riciclo, in accordo con i principi dell’economia circolare e riducendo i rischi geopolitici e ambientali rispetto agli accumulatori al litio. 

Nel 2022, GES ha ricevuto l’accesso a fondi per 53 milioni di euro del progetto europeo IPCEI 2, che sostiene “attività di ricerca, sviluppo e innovazione” nel settore delle batterie, a conferma del proprio potenziale strategico. \

Litio-Zolfo e Grafene

Sostituire le terre rare, che rappresentano un collo di bottiglia economico e politico con grafene e zolfo. Questa è la sfida dei produttori di accumulatori, tra cui l’americana NexTech, che promette un miglioramento di performance e sicurezza in batterie che utilizzano la formula litio-zolfo. E che vede coinvolta anche l’Italia tramite Directa Plus, azienda di Como fondata dall’imprenditore Giulio Cesareo e impegnata nella produzione e nella fornitura su scala globale del grafene (materiale innovativo ottenuto a partire dalla grafite e che è inserito negli accumulatori di NexTech). La società lariana intende dar vita a una batteria che abbia un costo dimezzato rispetto a un’analoga versione agli ioni di litio, ma con una densità energetica da tre a cinque volte superiore. In questo modo, un’auto potrebbe percorrere quasi mille chilometri senza necessità di rifornimento. In più, la presenza del grafene permette di avere una composizione chimica stabile, scongiurando il rischio di combustione associato al litio. \

Zinco-Manganese

Nel 2016, durante un esperimento, un gruppo di ricercatori presso il Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento per l’Energia statunitense ha individuato una reazione di conversione chimica inaspettata in una batteria all’ossido di zinco-manganese che, propriamente controllata, avrebbe potuto aumentare la densità di energia in questa tipologia di batterie, senza aumentarne i costi e rendendole competitive rispetto a quelle agli ioni di litio, soprattutto per lo stoccaggio (e con un minor impatto ambientale). Il passaggio dal laboratorio alla produzione su scala industriale è avvenuto in pochi anni. Difatti, nel 2020, è nata la Zinc Battery Initiative. Tra le imprese che aderiscono a questo programma figura Urban Electric Power, società di New York che produce accumulatori zinco-manganese con un elettrolita alcalino per il settore residenziale. Nello stesso ambito operano la svedese Enerpoly e la canadese Salient Energy, confermando l’elevato interesse verso questo elemento.  \

Ai nanofili d’oro

Alcuni scienziati dell’Università della California, a Irvine, hanno creato un elettrodo a base di nanofili (mille volte più sottili di un capello umano) d’oro particolarmente resistente ai cicli di ricarica, superandone la tradizionale fragilità manifestata all’interno di una batteria agli ioni di litio. In particolare, gli scienziati hanno racchiuso un nanofilo d’oro in un “guscio” di biossido di manganese e coperto l’assieme in un elettrolita fatto di gel, simile al plexiglas. Questa struttura, nei test condotti, si è dimostrata estremamente affidabile, resistendo a oltre 200.000 cicli di ricarica in tre mesi, aprendo così la possibilità di produrre batterie commerciali con varie applicazioni (anche al di fuori della mobilità) e longeve, senza necessità di sostituzione. \

Allo stato solido

Il gruppo Toyota è impegnato dal 2012 nella ricerca e nello sviluppo delle batterie allo stato solido (in cui gli elettroliti sono solidi anziché liquidi) con l’obiettivo di superare i limiti prestazionali degli accumulatori al litio. In particolare, il colosso giapponese collabora dal 2020 con Panasonic tramite una joint venture (denominata Prime Planet Energy & Solutions Inc.) per portare sul mercato, entro il 2025, queste batterie, dotate di elevate prestazioni: più di 700 chilometri di autonomia con una sola ricarica, con un tempo richiesto di circa 10-15 minuti per effettuare un rifornimento completo. Lo scienziato Gill Pratt, ceo del Toyota Research Institute, ha confermato, in occasione del Ces 2022, il target di commercializzazione degli accumulatori allo stato solido per il 2025, a cominciare dai veicoli ibridi per poi collocarli a bordo dei mezzi “full-electric”.