Una guida GlobalData alle tecnologie concorrenti di propulsione elettrica
Le batterie sono i barili di petrolio del ventunesimo secolo
Negli ultimi dieci anni, l’industria delle batterie ha fatto progressi sufficienti per consentire l’elettronica di consumo portatile, l’Internet mobile, le prime auto elettriche e l’adozione iniziale di sistemi intermittenti di stoccaggio e generazione di energia rinnovabile. Dato il ruolo in accelerazione ed espansione dell’energia immagazzinata nella lotta al cambiamento climatico, nei prossimi dieci anni diventerà una delle industrie più significative del mondo.
Ci saranno abbastanza batterie?
Mentre i governi di tutto il mondo prendono sul serio la decarbonizzazione delle loro economie, la domanda di batterie economiche, sicure, ad alte prestazioni, di lunga durata e a basso impatto di carbonio aumenterà, in particolare da parte dell’industria automobilistica.
Di conseguenza, i colli di bottiglia nella catena di approvvigionamento si materializzeranno nel prossimo decennio. La mancanza di materie prime a basso costo e facili da purificare per alimentare le gigafabbriche di batterie esistenti e pianificate nel mondo rappresenta la più grande minaccia alla sicurezza dell’approvvigionamento. Inoltre, il calo degli investimenti in miniere minerali cruciali – insieme alla crescente importanza dei fattori ambientali, sociali e di governance (ESG) – limiterà lo sviluppo di nuova capacità.
Entro il 2025 si verificherà probabilmente una grave ma temporanea carenza globale di batterie a causa di un forte aumento della domanda di veicoli elettrici (EV) e di una carenza di metalli per batterie estratti e raffinati. Tuttavia, l’industria sta investendo molto per evitare che questa situazione diventi una minaccia continua, riducendo l’uso di materiali scarsi, sviluppando nuovi materiali e tecnologie per le batterie e, soprattutto, creando un’industria globale di riciclaggio delle batterie.
Nel frattempo, il controllo da parte della Cina dell’intera catena di approvvigionamento globale, dalle miniere e dalle raffinerie ai produttori di componenti e celle, è una questione geopolitica crescente. Gli Stati Uniti e l’Europa stanno adottando misure significative per ridurre la dipendenza dalla Cina nella catena di approvvigionamento delle batterie entro il 2030. Il riciclaggio delle batterie riguarda tanto la geopolitica quanto la sostenibilità ambientale. L’economia circolare delle batterie sarà fondamentale per la transizione energetica e le nazioni (e le aziende) dovranno sviluppare il riciclo domestico poiché i volumi dei veicoli elettrici e quelli a fine vita aumentano drasticamente.
Le sostanze chimiche – alcuni principi di base
Le tecnologie delle batterie abbracciano molti prodotti chimici, diversi tipi di cellule e tecnologie alternative.
Una batteria è un contenitore costituito da una o più celle elettrochimiche in cui l'energia chimica viene convertita in energia elettrica. Sono usati come fonte di energia. Le batterie sono facilitatori fondamentali di molte altre tecnologie. Sono parte integrante dei moderni stili di vita mobili e della produzione di massa di veicoli elettrici (EV). Le tecnologie delle batterie e dello stoccaggio dell’energia saranno fondamentali nella transizione verso le energie rinnovabili.
Esistono due tipi di celle della batteria: celle primarie e celle secondarie.
- Le celle primarie producono una corrente elettrica mediante una reazione chimica irreversibile e sono chiamate batterie usa e getta.
- Le cellule secondarie creano questa corrente elettrica attraverso una reazione chimica reversibile. Questi sono spesso indicati come batterie ricaricabili o celle di accumulo.
Una cella a combustibile è un’altra fonte di energia, ma non è una batteria. Le batterie creano energia utilizzando le sostanze chimiche già al loro interno. Al contrario, una cella a combustibile utilizza una fornitura continua ed esterna di carburante che la attraversa come fonte di sostanze chimiche per la generazione di elettricità. Le celle a combustibile sono state utilizzate nelle sonde spaziali senza equipaggio, nelle automobili e per l'alimentazione di emergenza. Tuttavia, i combustibili utilizzati – in genere l’idrogeno – sono stati considerati troppo pericolosi per l’uso quotidiano.
Le batterie convertono l’energia chimica in energia elettrica
Le batterie immagazzinano energia chimica e la convertono in energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica. Sono costituiti da tre componenti principali: un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo) e un elettrolita. I due elettrodi sono realizzati con materiali diversi. Gli elettrodi sono separati tra loro da un separatore semipermeabile ad alcune specie chimiche e la batteria è alloggiata in un involucro.
Quando una batteria è collegata a un circuito elettrico, avviene una reazione elettrochimica. Gli elettroni fluiscono dall'anodo, attraverso il filo per alimentare un dispositivo collegato e fino al catodo.
Ogni cella della batteria contiene una quantità limitata di materiale reattivo. Alla fine, i processi elettrochimici all’interno della batteria smetteranno di fornire elettroni all’elettrodo negativo e l’elettricità smetterà di fluire. Per questo motivo la potenza disponibile in una batteria è limitata.
ricarica
Le batterie secondarie possono essere ricaricate utilizzando una fonte esterna, come pannelli solari, turbine eoliche, freni dell'auto o elettricità di rete. Durante la ricarica, le reazioni elettrochimiche avvengono al contrario, riportando la cella e i suoi componenti quasi al loro stato originale. Tuttavia, fenomeni come l’indurimento delle batterie e la formazione di dendriti impediscono alle batterie di ricaricarsi un numero infinito di volte. I dendriti possono portare a pericolosi cortocircuiti, sebbene siano in fase di sviluppo separatori ceramici per contribuire ad alleviare il problema.
Gli ioni di litio (Li-ion) sono la tecnologia delle batterie dominante per i dispositivi connessi (ad esempio, laptop e smartphone), i veicoli elettrici (EV) e lo stoccaggio di energia rinnovabile in casa. In tutti questi casi d’uso, la sicurezza è di fondamentale importanza. Gli ioni di litio vincono in questi campi per la loro sicurezza. Con la crescita della domanda di batterie più piccole e più potenti con cicli di vita più lunghi, i ricercatori stanno cercando attivamente di risolvere i problemi di cortocircuito e surriscaldamento, che possono portare a pericolosi incendi ed esplosioni.
Le celle agli ioni di litio immagazzinano più energia per un dato peso (densità di energia)
Le celle agli ioni di litio possono immagazzinare più energia a parità di peso e volume rispetto alle batterie al piombo-acido o a base NiMH e consentono una ricarica e uno scaricamento più rapidi. Queste proprietà li rendono ideali per lo stoccaggio di energia per i veicoli elettrici, dove è essenziale una grande densità di energia in un pacchetto leggero.
Le batterie al litio ferro fosfato (LFP) sono un altro tipo di batteria utilizzato nell'elettronica portatile di oggi. Gli LFP hanno una densità di energia inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio, quindi quest'ultima è la tipica scelta per i dispositivi elettronici assetati di energia che scaricano le batterie a velocità elevate. Tuttavia, gli LFP possono resistere a temperature elevate con un degrado minimo e sono adatti per oggetti che devono funzionare per periodi prolungati prima di essere caricati. Inoltre, le batterie LFP hanno in genere un ciclo di vita maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio. Cioè possono essere caricati e scaricati più volte. Probabilmente, uno dei maggiori vantaggi degli LFP rispetto alle batterie agli ioni di litio è la sicurezza. Una migliore stabilità termica e chimica significa che gli LFP rimangono freddi a temperature elevate e sono incombustibili (non prendono fuoco) se maneggiati in modo improprio durante la carica o la scarica rapida o durante il cortocircuito.
Sono in fase di sviluppo anche prodotti chimici avanzati per le batterie che potrebbero offrire vantaggi rispetto alle batterie disponibili in commercio.
I vantaggi prestazionali includono un peso più leggero, una maggiore densità di energia, una più ampia tolleranza alla temperatura, un ciclo di vita prolungato e una maggiore sicurezza. Ad esempio, l'elettrolita liquido nelle batterie agli ioni di litio può diventare incredibilmente volatile se esposto all'aria esterna, come durante un incidente o un guasto della struttura della cella. Gli incendi delle batterie al litio sono particolarmente violenti e difficili da estinguere, spesso necessitano di essere completamente immerse in acqua per più giorni per diventare completamente inerti. Non ci sono prove che suggeriscano che gli incendi dei veicoli elettrici si verifichino con una frequenza maggiore rispetto agli incendi dei veicoli a combustione – anzi, potrebbero anche essere statisticamente meno probabili.
Tuttavia, i produttori di veicoli elettrici devono ancora rassicurare il pubblico sulla sicurezza dei loro veicoli. Il disastroso lancio da parte di Samsung del Galaxy Note 7, uno smartphone afflitto dagli incendi della batteria agli ioni di litio, ha portato all'attenzione del pubblico i potenziali pericoli di questa chimica della batteria: un errore che i produttori di veicoli elettrici non vorranno ripetere.
Le batterie a stato solido sono la seconda opzione più praticabile
Le celle a stato solido utilizzano generalmente la stessa reazione chimica a base di ioni di litio per immagazzinare e scaricare energia delle celle convenzionali. La differenza sta nell'elettrolita utilizzato per separare l'anodo e il catodo. Le celle convenzionali utilizzano un elettrolita a base liquida – comunemente un sale di litio sospeso in un solvente organico – mentre le celle a stato solido lo sostituiscono con un elettrolita solido sottilissimo, solitamente realizzato in ceramica, polimero o vetro.
La rimozione dell'elettrolita liquido apporta molti potenziali vantaggi. Le celle a stato solido sono più leggere e compatte rispetto alle loro controparti a base liquida, il che significa che il peso della confezione può essere ridotto o la capacità energetica aumentata. Dovrebbero essere più resistenti alla formazione di dendriti di litio, il che migliorerà le prestazioni di scarica elettrica e aumenterà la potenziale velocità di ricarica, oltre a prolungare la durata del pacco batteria. Inoltre, una volta raggiunta la produzione di massa, dovrebbero essere più facili e veloci da realizzare rispetto alle tradizionali celle agli ioni di litio grazie all’eliminazione dei solventi industriali.
I vantaggi offerti dalle celle a stato solido sono ancora più evidenti nel campo della sicurezza delle batterie. Gli incendi causati da celle agli ioni di litio difettose o danneggiate sono stati ampiamente pubblicizzati (ad esempio Chevrolet Bolt e le sue batterie prodotte da LG). In molti casi, questi incendi si verificano perché un guasto interno o un danno esterno hanno causato l'esposizione dell'elettrolito volatile di litio all'aria esterna, provocandone l'incendio e innescando una reazione a catena che può distruggere l'intero pacco batteria. Gli elettroliti solidi evitano completamente questi problemi e sono altamente resistenti al fuoco e alle esplosioni, anche nel caso in cui vengano forati o colpiti.
Sebbene offrano molti vantaggi teorici, nessuna azienda ha ancora dimostrato la capacità di produrre in serie celle a stato solido per veicoli leggeri, e la maggior parte è ancora in fase di test al banco. Ci sono ancora alcuni problemi da risolvere, inclusa la progettazione dell’elettrolita solido e degli elettrodi in modo tale che si interfacciano in modo uniforme su tutta la superficie, perché qualsiasi deformazione può creare spazi vuoti che limitano l’efficienza della cella. Inoltre, è stato dimostrato che la stabilità del materiale rappresenta un problema, poiché la fragilità dell'elettrolita porta a fratture microscopiche che limitano le prestazioni delle celle.
Blue Solutions, una filiale della francese Bolloré, si è aggiudicata un contratto per la fornitura delle sue celle a stato solido per l'autobus urbano articolato eCitaro G di Daimler: il primo accordo di fornitura commerciale registrato per la tecnologia. Tuttavia, il pacco a stato solido opzionale deve essere deliberatamente riscaldato a una temperatura operativa relativamente elevata compresa tra 50°C e 80°C – riducendo parte dell’autonomia nel processo e rendendolo inappropriato per l’uso in veicoli leggeri con i loro modelli di utilizzo imprevedibili.
Celle a combustibile (idrogeno): una scommessa a lungo termine
I veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) generano energia a bordo ossidando il carburante – solitamente idrogeno – attraverso una membrana della cella a combustibile, con l’unica emissione costituita dall’acqua. Questa energia può essere inviata direttamente al motore elettrico o immagazzinata in una batteria separata per un uso successivo. I FCEV possono essere rapidamente "riforniti" in modo simile ai veicoli a combustione riempiendo il serbatoio con idrogeno, eliminando il lungo periodo di ricarica richiesto dai BEV. La spinta verso l’idrogeno è in parte guidata anche dal suo potenziale ruolo come parte di un’economia energetica circolare. Qui, l’energia eolica o idroelettrica rinnovabile viene utilizzata per scomporre l’idrogeno dall’acqua di mare. L’idrogeno funge quindi da deposito per l’energia non di punta generata da tali fonti.
Sebbene i FCEV abbiano molti potenziali vantaggi, la tecnologia necessita di miglioramenti prima di poter competere con i BEV. Il costo di generazione dell’idrogeno è attualmente superiore al costo di produzione della benzina, rendendo costose le ricariche. Inoltre, l’infrastruttura per supportare i veicoli FCEV deve ancora essere costruita, mentre le reti di ricarica dei veicoli elettrici stanno già crescendo rapidamente.
I FCEV possono essere di grande valore per i veicoli commerciali e pesanti. Le batterie sono pesanti, quindi non sono adatte ai camion a lungo raggio perché il peso delle batterie necessarie consumerebbe troppa capacità di carico potenziale. I percorsi prevedibili seguiti dai camion a lungo raggio richiedono anche un minor numero di stazioni di rifornimento di idrogeno per funzionare in modo efficace.
In sostanza, i FCEV sono visti nel settore come una probabile direzione di viaggio per il trasporto a lungo termine – con le loro applicazioni molto probabilmente inizialmente nei veicoli commerciali pesanti insieme alle reti di stazioni di ricarica a circuito chiuso.
Fonte da Solo auto
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