Quest’anno ci aspettiamo nuove chimiche per le batterie dei veicoli elettrici e una spinta alla produzione grazie ai finanziamenti governativi.
Ogni anno il mondo si affida sempre di più alle batterie. I veicoli elettrici hanno superato il 10% delle vendite globali di veicoli nel 2022 e sono sulla buona strada per raggiungere il 30% entro la fine di questo decennio.
Le politiche a livello mondiale non faranno altro che accelerare questa crescita: la recente legislazione sul clima negli Stati Uniti incoraggia l’investimento di miliardi nella produzione di batterie e fornisce incentivi per l’acquisto di veicoli elettrici. L’Unione Europea e diversi Stati degli USA hanno approvato il divieto di vendita di veicoli a benzina a partire dal 2035.
La transizione richiederà molte batterie, migliori e più economiche.
La maggior parte dei veicoli elettrici oggi è alimentata da batterie agli ioni di litio, una tecnologia vecchia di decenni utilizzata anche nei computer portatili e nei telefoni cellulari. Tutti questi anni di sviluppo hanno contribuito a ridurre i prezzi e a migliorare le prestazioni, per cui oggi i veicoli elettrici si avvicinano al prezzo delle auto a benzina e possono percorrere centinaia di chilometri tra una ricarica e l’altra. Le batterie agli ioni di litio stanno trovando anche nuove applicazioni, tra cui l’accumulo di energia elettrica sulla rete, che può contribuire a bilanciare le fonti di energia rinnovabili intermittenti come l’energia eolica e solare.
Ma c’è ancora molto spazio per i miglioramenti. I laboratori accademici e le aziende sono alla ricerca di modi per migliorare la tecnologia, aumentando la capacità, accelerando i tempi di ricarica e riducendo i costi. L’obiettivo è quello di avere batterie ancora più economiche, in grado di fornire uno stoccaggio a basso costo per la rete e di consentire ai veicoli elettrici di percorrere distanze maggiori con una carica.
Allo stesso tempo, le preoccupazioni per l’approvvigionamento di materiali chiave per le batterie, come il cobalto e il litio, spingono a cercare alternative alla chimica standard degli ioni di litio.
Nel fenomeno dell’impennata della domanda di veicoli elettrici e di energia rinnovabile e dell’evoluzione nello sviluppo delle batterie, una cosa è certa: le batterie giocheranno un ruolo fondamentale nella transizione verso le energie rinnovabili. Ecco cosa ci aspetta nel 2023.
Un ripensamento radicale
Alcuni approcci radicalmente diversi alle batterie per veicoli elettrici potrebbero fare progressi nel 2023, anche se probabilmente ci vorrà più tempo per avere un impatto commerciale.
Un progresso da tenere d’occhio quest’anno è quello delle cosiddette batterie allo stato solido. Le batterie agli ioni di litio e i prodotti chimici correlati utilizzano un elettrolita liquido che trasporta la carica; le batterie allo stato solido sostituiscono questo liquido con ceramiche o altri materiali solidi.
Questo cambiamento apre la strada a possibilità di immagazzinamento di maggiori quantità di energia in uno spazio più piccolo, migliorando potenzialmente l’autonomia dei veicoli elettrici. Le batterie allo stato solido potrebbero anche spostare la carica più velocemente, riducendo i tempi di ricarica. Inoltre, poiché alcuni solventi utilizzati negli elettroliti possono essere infiammabili, i sostenitori delle batterie allo stato solido affermano di migliorare la sicurezza riducendo il rischio di incendio.
Le batterie allo stato solido possono utilizzare un’ampia gamma di sostanze chimiche, ma una delle principali candidate alla commercializzazione utilizza il litio metallico. Quantumscape si è concentrata su questa tecnologia e ha raccolto centinaia di milioni di finanziamenti prima di essere quotata in borsa nel 2020. L’azienda ha un accordo con Volkswagen che potrebbe portare le sue batterie nelle auto entro il 2025.
Ma reinventare completamente le batterie si è rivelato difficile, e le batterie al litio-metallo sono state oggetto di riflessione per il loro degrado nel tempo, oltre che per problemi di produzione. Alla fine di dicembre Quantumscape ha annunciato di aver consegnato dei campioni ai partner del settore automobilistico per i test, una pietra miliare significativa per portare le batterie allo stato solido nelle automobili. Anche altri produttori di batterie allo stato solido, come Solid Power, stanno lavorando per costruire e testare le loro batterie. Ma anche loro potrebbero raggiungere importanti traguardi quest’anno, ma le loro batterie non entreranno nei veicoli in circolazione nel 2023.
Le batterie allo stato solido non sono l’unica nuova tecnologia da tenere d’occhio. Anche le batterie agli ioni di sodio si discostano nettamente dalle attuali batterie agli ioni di litio. Queste batterie hanno un design simile a quello delle batterie agli ioni di litio, compreso un elettrolita liquido, ma invece di affidarsi al litio, utilizzano il sodio come ingrediente chimico principale. Il gigante cinese delle batterie CATL prevede di iniziare a produrle in massa nel 2023.
Le batterie agli ioni di sodio potrebbero non migliorare le prestazioni, ma potrebbero ridurre i costi perché si basano su materiali più economici e più ampiamente disponibili rispetto alle chimiche agli ioni di litio. Ma non è chiaro se queste batterie saranno in grado di soddisfare le esigenze di autonomia e di tempo di ricarica dei veicoli elettrici, motivo per cui diverse aziende che puntano su questa tecnologia, come la statunitense Natron, si rivolgono inizialmente ad applicazioni meno impegnative, come l’accumulo stazionario o i dispositivi di micromobilità come le biciclette elettriche e gli scooter.
Secondo Yayoi Sekine, responsabile dello stoccaggio dell’energia presso la società di ricerche sull’energia BloombergNEF, il mercato delle batterie destinate allo stoccaggio della rete elettrica è oggi di dimensioni ridotte, circa un decimo di quello delle batterie per veicoli elettrici. Ma la domanda di stoccaggio dell’elettricità sta crescendo con l’aumento dell’energia rinnovabile, poiché le principali fonti di energia rinnovabile, come l’eolico e il solare, sono variabili e le batterie possono aiutare a immagazzinare l’energia per quando è necessaria.
Le batterie agli ioni di litio non sono ideali per l’accumulo stazionario, anche se oggi sono comunemente utilizzate per questo scopo. Mentre le batterie per i veicoli elettrici diventano sempre più piccole, leggere e veloci, l’obiettivo principale per l’accumulo stazionario è quello di ridurre i costi. Le dimensioni e il peso non hanno la stessa importanza per l’accumulo in rete, il che significa che probabilmente si affermeranno diverse sostanze chimiche.
Un astro nascente dell’accumulo stazionario è il ferro, e due operatori potrebbero fare progressi nel corso del prossimo anno. Form Energy sta sviluppando una batteria ferro-aria che utilizza un elettrolita a base d’acqua e immagazzina energia grazie alla ruggine reversibile. L’azienda ha recentemente annunciato un impianto di produzione da 760 milioni di dollari a Weirton, in West Virginia, la cui costruzione dovrebbe iniziare nel 2023. Un’altra azienda, ESS, sta costruendo un altro tipo di batteria al ferro che impiega una chimica simile; ha avviato la produzione presso la sua sede di Wilsonville, in Oregon.
Spostamenti all’interno dello standard
Le batterie agli ioni di litio continuano a migliorare e ad essere più economiche, ma i ricercatori stanno perfezionando la tecnologia per ottenere maggiori prestazioni e costi inferiori.
Una parte della motivazione deriva dalla volatilità dei prezzi dei materiali delle batterie, che potrebbe spingere le aziende a cambiare la chimica. “È una questione di costi”, dice Sekine.
I catodi sono in genere una delle parti più costose di una batteria e un tipo di catodo chiamato NMC (nichel manganese cobalto) è la varietà dominante nelle batterie EV di oggi. Ma questi tre elementi, oltre al litio, sono costosi, quindi la riduzione di alcuni o di tutti potrebbe contribuire a ridurre i costi.
Quest’anno potrebbe essere l’anno della svolta per un’alternativa: il litio ferro fosfato (LFP), un materiale catodico a basso costo talvolta utilizzato per le batterie agli ioni di litio.
I recenti miglioramenti nella chimica e nella produzione delle LFP hanno contribuito ad aumentare le prestazioni di queste batterie e le aziende si stanno muovendo per adottare questa tecnologia: La quota di mercato delle LFP sta crescendo rapidamente, passando da circa il 10% del mercato globale degli EV nel 2018 a circa il 40% nel 2022. Tesla sta già utilizzando le batterie LFP in alcuni veicoli e case automobilistiche come Ford e Volkswagen hanno annunciato l’intenzione di iniziare a offrire anche alcuni modelli EV con questa tipologia di batterie.
Anche se la ricerca sulle batterie tende a concentrarsi sulle chimiche dei catodi, anche gli anodi sono in procinto di essere rinnovati.
Oggi la maggior parte degli anodi delle batterie agli ioni di litio, indipendentemente dalla composizione del catodo, utilizza la grafite per trattenere gli ioni di litio. Ma alternative come il silicio potrebbero contribuire ad aumentare la densità energetica e a velocizzare la ricarica.
Gli anodi di silicio sono stati oggetto di ricerca per anni, ma storicamente non hanno avuto una durata sufficiente per essere utilizzati nei prodotti. Ora, però, le aziende stanno iniziando a espandere la produzione di questi materiali.
Nel 2021, la startup Sila ha iniziato a produrre anodi di silicio per le batterie di un dispositivo indossabile per il fitness. L’azienda ha recentemente ottenuto una sovvenzione di 100 milioni di dollari dal Department of Energy per contribuire alla costruzione di un impianto di produzione a Moses Lake, Washington. Lo stabilimento servirà alla partnership di Sila con Mercedes-Benz e dovrebbe produrre materiali per le batterie EV a partire dal 2025.
Altre startup stanno lavorando per fondere insieme silicio e grafite per gli anodi. OneD Battery Sciences che ha stretto una partnership con GM, e Sionic Energy potrebbero compiere ulteriori passi verso la commercializzazione quest’anno.
Politiche che danno forma ai prodotti
L’Inflation Reduction Act, approvato alla fine del 2022, accantona quasi 370 miliardi di dollari in finanziamenti per il clima e l’energia pulita, compresi miliardi per la produzione di EV e batterie. “Tutti hanno in mente l’IRA”, afferma Yet-Ming Chiang, ricercatore di scienza dei materiali al MIT e fondatore di diverse aziende produttrici di batterie.
L’IRA fornirà prestiti e sovvenzioni ai produttori di batterie negli Stati Uniti, incrementando la capacità produttiva. Inoltre, i crediti d’imposta per i veicoli elettrici previsti dalla legge incentivano le case automobilistiche a rifornirsi di materiali per le batterie negli Stati Uniti o dai suoi partner di libero scambio e a produrre le batterie in Nord America. Grazie ai finanziamenti dell’IRA e alle limitazioni del credito d’imposta per i veicoli elettrici, le case automobilistiche continueranno ad annunciare nuove capacità produttive negli Stati Uniti e a trovare nuovi modi per approvvigionarsi di materiali.
Tutto ciò significa che ci sarà sempre più domanda per gli ingredienti chiave delle batterie agli ioni di litio, tra cui litio, cobalto e nichel. Un possibile risultato degli incentivi dell’IRA è un aumento dell’interesse già crescente per il riciclo delle batterie. Anche se non ci sarà presto un numero sufficiente di veicoli elettrici per soddisfare la domanda di alcuni materiali cruciali, il riciclo sta iniziando a mettersi in moto.
CATL e altre aziende cinesi sono state leader nel riciclaggio delle batterie, ma quest’anno il settore potrebbe registrare una crescita significativa in altri importanti mercati di veicoli elettrici come il Nord America e l’Europa. Redwood Materials, con sede in Nevada, e Li-Cycle, con sede a Toronto, stanno costruendo impianti e lavorando per separare e purificare i metalli chiave delle batterie, come il litio e il nichel, per riutilizzarli nelle batterie.
Li-Cycle inizierà a mettere in funzione il suo impianto di riciclaggio principale nel 2023. Redwood Materials ha iniziato a produrre il suo primo prodotto, una lamina di rame, dal suo impianto nei pressi di Reno, in Nevada, e ha recentemente annunciato l’intenzione di costruire il suo secondo impianto a partire da quest’anno a Charleston, nella Carolina del Sud.
Con gli importanti finanziamenti dell’IRA e altre politiche in tutto il mondo che alimentano la domanda di veicoli elettrici e delle loro batterie, il 2023 sarà un anno da tenere d’occhio.
