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Anche le batterie sono fondamentali nella transizione energetica. Consentono la decarbonizzazione tramite elettrificazione e sono utilizzate per conservare l’energia rinnovabile. Come funziona una batteria?
12 ottobre 2023
Le batterie svolgono un ruolo chiave nella transizione energetica globale.
Gli sviluppi della tecnologia delle batterie si concentrano prevalentemente sul miglioramento delle loro proprietà, come la densità energetica e di potenza, il peso, la sicurezza d’uso e la durata.
La domanda globale di materiali essenziali per le batterie, tra cui nichel, cobalto, litio e manganese, è in rapido aumento.
Una svolta nella tecnologia delle batterie allo stato solido potrebbe accelerare la transizione verso un’economia più pulita.
Uno dei fattori principali della transizione energetica è la decarbonizzazione tramite l’elettrificazione. Le batterie, che svolgono un ruolo chiave nell’elettrificazione, sono diventate essenziali per la transizione energetica globale. Le batterie sono ormai onnipresenti: consentono di alimentare qualsiasi dispositivo, dai telefoni cellulari ai veicoli elettrici (VE), o di immagazzinare energia rinnovabile per bilanciare la rete.
Ma come funziona una batteria e quali sono gli sviluppi tecnologici del settore?
Le batterie convertono l’energia chimica in energia elettrica e viceversa. La prima batteria fu descritta dal fisico italiano Alessandro Volta nel 1800.1 La sua cosiddetta “pila voltaica”, una pila di lastre di rame e zinco separate da dischi di carta o da un panno imbevuto di salamoia, era in grado di produrre una corrente costante per circa un’ora e segnò l’inizio dell’evoluzione della tecnologia delle batterie. Da notare che Volta diede anche il nome all’unità di misura della forza elettromotrice, il volt (V). Le cosiddette “celle umide”, come la britannica “Daniell cell” (1836) che seguì la pila voltaica, erano leggermente più stabili ma erano anche soggette a perdite, fuoriuscite e cortocircuiti. La “cella a secco” fu inventata dallo scienziato tedesco Carl Gassner nel 1886. Sebbene contenesse ancora liquidi, era molto più sicura da maneggiare e durava più a lungo.2 Era inoltre adatta alla produzione di massa: la “Columbia dry cell”, leggermente adattata, fu commercializzata per la prima volta dalla società statunitense National Carbon Company nel 1896.3 L’invenzione della batteria ricaricabile al nichel cadmio da parte dello svedese Waldemar Jungner nel 1899 è arrivata successivamente, seguita dallo sviluppo delle batterie al litio a partire dagli anni Settanta.
Grazie alle sue proprietà chimiche, come la bassa densità, l’elevato potenziale elettrochimico e il buon rapporto energia peso, si pensava che il litio4 fosse un buon materiale per le batterie. Il percorso verso le batterie al litio è stato tracciato all’inizio del secolo scorso, con Gilbert Newton Lewis che sperimentò il metallo nel 1912. Ma è solo negli anni Ottanta che sono stati raggiunti i veri progressi tecnologici nelle batterie agli ioni di litio. La batteria al litio come la conosciamo oggi è nata nel 1979 e nel 2019 Stanley Whittingham, John Goodenough e Akira Yoshino hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica per il loro contributo allo sviluppo della batteria agli ioni di litio (o Li ion) a ricarica rapida, ad alta densità energetica e leggera.5
Figura 1: Caratteristiche di densità energetica: volume e peso a confronto
Fonti: Credit Suisse, MDPI. Basata su MDPI (Energies | Free Full‑Text | Current Li‑Ion Battery Technologies in Electric Vehicles and Opportunities for Advancements (mdpi.com); consultato il 7.9.2023
Una batteria è costituita da quattro componenti: gli elettrodi positivi e negativi chiamati catodo e anodo, un separatore che crea una barriera tra di essi e un elettrolita che funge da mezzo per far fluire la carica elettrica tra il catodo e l’anodo. Quando una batteria si scarica, ad esempio per fornire corrente elettrica a un dispositivo collegato o a un veicolo elettrico, gli ioni di litio con carica positiva viaggiano dall’anodo al catodo e gli elettroni con carica negativa si muovono nella direzione opposta. Al contrario, quando una batteria è in carica, gli ioni di litio passano dal catodo all’anodo e gli elettroni si spostano dall’anodo al catodo. L’elettrolita funge da materiale conduttore di ioni, mentre il separatore è una membrana porosa ultrasottile che isola il materiale del catodo da quello dell’anodo per evitare cortocircuiti.
Figura 2: Componenti di una batteria agli ioni di litio
Fonti: Credit Suisse, Samsung SDI. Basata su Samsung SDI (The Four Components of a Li‑ion Battery (samsungsdi.com)); consultato il 11.9.2023
Il catodo e l’anodo sono i componenti principali di una batteria agli ioni di litio, in grado di determinare proprietà quali la tensione della batteria (potenziale elettrico, misurato in volt), la densità di potenza (la velocità con cui un dispositivo può caricarsi e scaricarsi, watt6 per kg o W/kg), la densità energetica (quanta energia viene immagazzinata nella batteria, wattora/kg o Wh/kg) e le caratteristiche di sicurezza.
Fino a poco tempo fa, gli anodi erano per lo più fatti di grafite e quindi leggeri. Poiché i materiali del catodo sono la parte più grande e più pesante di una batteria, con un rapporto di massa tra catodo e anodo di 3:1 o 4:1, gli sforzi per migliorare la densità energetica delle batterie (e per ridurne il costo) si sono concentrati prevalentemente sullo sviluppo del catodo. I tipi di catodo più comuni sono LCO (ossido di cobalto di litio), LMO (ossido di manganese di litio), LFP (fosfato di ferro di litio), NCM (manganese di cobalto di litio) e NCA (alluminio di nichel cobalto).
Figura 3: Principali tipi di batterie agli ioni di litio
LCO |
LMO |
LFP |
NCM |
NCA |
|
|---|---|---|---|---|---|
Formula chimica |
LiCoO2 |
LiMn2O4 |
LiFePO4 |
LiNiMnCoO2 |
LiNiCoAIO2 |
Densità energetica |
Alta |
Media |
Bassa |
Alta |
Alta |
Sicurezza |
Bassa |
Alta |
Alta |
Media |
Bassa |
Durata della vita |
Elevata |
Bassa |
Elevata |
Media |
Elevata |
Costo |
Elevato |
Basso |
Basso |
Medio |
Medio |
Potenza in uscita |
Medio‑alta |
Alta |
Bassa |
Medio‑bassa |
Alta |
Fonti: Credit Suisse, JP Morgan. Basato su, https://batteryuniversity.com/; consultato il 5.9.2023
In passato, le batterie di tipo NCM hanno dominato il mercato globale delle batterie, raggiungendo il 63% dell’offerta globale di batterie nel 2022.7 La forte crescita della domanda di batterie, sia per i sistemi di accumulo di energia che per i veicoli elettrici, ha innescato una forte richiesta di materiali essenziali, come il nichel, il cobalto, il litio e il manganese, facendo aumentare i prezzi delle materie prime. L’aumento dei prezzi dei fattori produttivi, unito alla costante ricerca di una maggiore densità energetica, ha portato allo sviluppo di nuove tecnologie per le batterie. In seguito al decollo della produzione cinese di veicoli elettrici di massa di fascia bassa negli ultimi anni, la tecnologia a catodo della batteria LFP, più economica, ha iniziato ad aumentare la propria quota di mercato, passando da una penetrazione globale del 15% nel 2015 al 37% nel 2022. Nella stessa Cina, la tecnologia LFP è già leader nel settore delle batterie, con una quota del 55% nei veicoli elettrici per passeggeri e del 67% in quelli commerciali nel 2022.7
D’altra parte, nella tecnologia NMC, si registra la tendenza verso la cosiddetta chimica ad alto tenore di nichel, il che significa aumentare il contenuto di nichel del catodo a oltre il 90% e ridurre il contenuto di cobalto e manganese al di sotto del 10%. La composizione del catodo NMC è rappresentata da NMCxyz, dove xyz sono le proporzioni relative del materiale catodico: x indica il contenuto di nichel, y il contenuto di manganese, z il contenuto di cobalto, e x+y+z = 10. Si prevede che le soluzioni chimiche a base di nichel saranno dominate dai catodi NMC9.5.5 in su, poiché l’industria cerca sempre più di ridurre il contenuto di cobalto nelle batterie.
Figura 4: Aumento della domanda globale di materiali per catodi
LCO: Ossido di litio cobalto; LMFP: Fosfato di ferro e manganese al litio; LFP: Litio Ferro Fosfato; LNMO: Ossido di litio nichel manganese; LMO: Ossido di litio manganese; LNO: Ossido di litio e nichel; NCA: Nichel‑Cobalto‑Alluminio; NMCA: Nichel‑Manganese‑Cobalto‑Alluminio; LMR‑NMC: NMC ricco di litio‑manganese; NMC: Nichel Manganese Cobalto
Fonti: Credit Suisse, BNEF. Basata su BNEF. Lithium‑Ion Batteries: State of the Industry 2022. Dati pubblicati il 9.9.2022
Le reti elettriche stanno diventando di dimensioni e complessità sempre maggiori, determinando una crescita record della domanda di sistemi di accumulo dell’energia,8 mentre sul fronte dei trasporti, la diminuzione dell’ansia da autonomia e la diffusione delle reti di ricarica rapida stanno favorendo la penetrazione dei veicoli elettrici, con una quota globale sulle vendite di nuovi veicoli che dovrebbe passare dal 14% nel 2022 al 30% nel 2026.9
La ricerca di continui miglioramenti delle caratteristiche prestazionali delle batterie, come la sicurezza, la densità energetica, la durata e la velocità di ricarica, rappresenta la forza motrice dei rapidi progressi compiuti nel campo della tecnologia delle batterie. I costi e le considerazioni sulla sostenibilità, soprattutto in relazione all’impronta ecologica e alle violazioni dei diritti umani,10 stanno avendo un impatto significativo sulla roadmap della tecnologia e sui materiali scelti come elementi per le future batterie agli ioni di litio. Dato il processo di produzione ad alta intensità energetica della grafite, questo materiale anodico viene sostituito da anodi di silicio più economici ed ecologici.11 Le batterie agli ioni di sodio12 stanno diventano sempre più diffuse. Il principio di funzionamento alla base delle batterie agli ioni di sodio e delle batterie agli ioni di litio è molto simile, tuttavia le prime utilizzano ioni di sodio anziché ioni di litio per passare dall’anodo al catodo e viceversa, entrambi realizzati con materiali più economici rispetto alle batterie agli ioni di litio. Sono anche più sicure e, poiché il natrium (sodio) si trova piuttosto in abbondanza, le materie prime sono più economiche e più rispettose dell’ambiente. Tuttavia, la tecnologia agli ioni di sodio presenta ancora degli svantaggi in termini di densità energetica e durata del ciclo.
Sebbene siano in fase di sviluppo molti nuovi tipi di batterie, il più grande passo avanti a breve termine sarebbe la produzione commerciale di massa delle cosiddette batterie allo stato solido (SSB). I materiali del catodo e dell’anodo di una batteria allo stato solido sono simili a quelli di una batteria Li on; tuttavia, il materiale elettrolitico è un polimero solido o una ceramica. In questo modo si elimina la necessità di utilizzare elettroliti liquidi, che sono spesso causa di infiammabilità, degrado e prestazioni di ciclo inferiori.13 Poiché l’elettrolita è un conduttore di ioni in forma solida, non c’è bisogno di un separatore, il che libera spazio nella batteria per più materiale attivo, aumentando così in modo significativo la densità di energia della batteria, la velocità di carica, la durata del ciclo e, in ultima analisi, anche il suo costo. Inoltre, le SSB saranno molto più facili da riciclare, fattore che rappresenta un vantaggio per l’ambiente.14 Molte case automobilistiche e produttori di batterie stanno unendo le forze nella ricerca e sviluppo di batterie allo stato solido.15 Pertanto, la tecnologia delle batterie sembra destinata a continuare a progredire.
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1 Britannica (n.d.). Alessandro Volta. Consultato su Alessandro Volta | Biography, Facts, Battery, & Invention | Britannica il 14.9.2023
2 Edison Tech Center (n.d.). Batteries: Types and History. Consultato su Batteries (edisontechcenter.org) il 12.9.2023
3 Energizer (n.d.). Our Legacy. Consultato su Energizer Holdings Legacy il 11.9.2023
4 Il litio, o Li, è il terzo elemento della tavola periodica e il metallo/elemento solido meno denso. È altamente reattivo e infiammabile, ma anche solubile come ione, caratteristica che lo rende estremamente adatto all’uso nelle batterie.
5 Premio Nobel (2019). Press release. Consultato su Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2019 il 14.9.2023
6 Mentre il watt (W) misura la potenza come velocità di generazione dell’energia in un determinato periodo di tempo, il wattora misura l’energia come quantità totale di energia consumata in un periodo di un’ora (Wh).
7 Bloomberg New Energy Finance (BNEF). Lithium‑Ion Batteries: State of the Industry 2022.
8 Bloomberg New Energy Finance (2023). 1H 2023 Energy Storage Market Outlook. 20.3.2023. Pagina 1
9 Bloomberg New Energy Finance (2023). Long‑Term Electric Vehicle Outlook 2023. 8.6.2023. Pagina 2
10 Houreld K. & Bashizi A. (2023). Despite reforms, mining for EV metals in Congo exacts steep cost on workers. The Washington Post. 4.8.2023. Consultato su https://www.washingtonpost.com/world/interactive/2023/ev‑cobalt‑mines‑congo/ il 12.9.2023
11 ScienceDirect (n.d.). Silicon Anode. Consultato su Silicon Anode ‑ an overview | ScienceDirect Topics il 8.9.2023
12 ScienceDirect (2021). Sodium Ion Battery. Consultato su Sodium Ion Battery ‑ an overview | ScienceDirect Topics il 8.9.2023
13 ScienceDirect (2022). Solid State Battery. Consultato su Solid State Battery ‑ an overview | ScienceDirect Topics il 11.9.2023
14 ScienceDirect (2020). Matter. Consultato su Recycling for All Solid‑State Lithium‑Ion Batteries ‑ ScienceDirect il 5.9.2023
15 Reuters (2023). Explainer: How could solid‑state batteries improve next‑gen EVs. Estratto da Explainer: How could solid‑state batteries improve next‑gen EVs? | Reuters il 4.9.2023; Topspeed (2023). 10 Automakers Deeply Invested In Solid State Batteries. Consultato su 10 Automakers Deeply Invested In Solid State Batteries (topspeed.com) il 12.9.2023
16 Con il concetto di “pure play” ci riferiamo alle aziende in cui almeno il 50% dei ricavi è direttamente attribuibile al tema corrispondente.
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