In arrivo batterie più efficienti
Le batterie sono l’elemento centrale delle auto elettriche e sono anche tra i loro componenti più costosi. Agli attuali prezzi, aumentati anche a causa della crisi delle materie prime seguita alla pandemia, da sole costituiscono fino a un terzo del costo complessivo di produzione. Con una domanda in rapida espansione, le aziende automobilistiche possono fare affidamento su una quantità limitata di grandi fornitori di batterie, quasi tutte aziende asiatiche, e per questo negli ultimi anni importanti società del settore hanno fatto enormi investimenti per ridurre la loro dipendenza da terzi e al tempo stesso migliorare l’efficienza delle batterie.
Tra le numerose aziende nel settore, QuantumScape è ritenuta tra le più promettenti soprattutto per una nuova tecnologia sviluppata per isolare meglio alcuni componenti delle batterie, impiegando un nuovo materiale ceramico la cui ricetta è naturalmente un segreto industriale. Consente di utilizzare un materiale solido invece di uno liquido per gestire il passaggio della corrente elettrica tra i poli positivi e negativi delle batterie. Questa soluzione, esplorata da numerosi altri produttori con vari materiali, rende più densa la batteria e di conseguenza in grado di accumulare più energia per chilogrammo, rispetto ai sistemi attualmente impiegati.
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Funzionamento batterie
Facciamo un passo indietro, la maggior parte delle attuali batterie funziona attraverso il passaggio di atomi di litio all’interno delle celle. Il passaggio di corrente avviene perché ogni atomo è ionizzato (da questo deriva il nome “agli ioni di litio”), cioè carico positivamente, perché gli manca un elettrone. Nella fase di carica, gli ioni di litio si raccolgono da una parte della batteria (anodo); quando si utilizza la batteria per esempio per dare energia al motore, gli ioni si muovono verso l’altra parte (catodo) rendendo possibile il trasferimento di energia. Il processo è naturalmente molto più complesso di così ed è reso possibile dal materiale di cui sono fatti anodo, catodo e gli altri componenti della batteria.
Nella figura sottostante il modello di funzionamento di una batteria.
L’anodo è quasi sempre fatto di grafite, ma Sila ha sperimentato il modo di rimpiazzarla con il silicio, che può contenere una maggiore quantità di ioni in uno spazio più piccolo. La batteria è quindi più efficiente e dura più a lungo. Altre aziende hanno sviluppato sistemi simili, confrontandosi con numerose difficoltà, a cominciare dalla tendenza delle batterie con silicio a gonfiarsi quando sono cariche, al punto da mettere a rischio la loro stabilità. In alcuni casi sono stati necessari oltre dieci anni di ricerche per trovare la giusta ricetta della polvere di silicio per ridurre questo effetto.
Cosa contiene una batteria
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Le 4 chimiche per batterie più utilizzate su base litio e le loro caratteristiche
Sapevi che quando si parla di batterie si va ben oltre le auto elettriche?
Le batterie al litio con chimica LCO (litio cobalto ossido) sono le meno recenti, impiegate soprattutto per cellulari, macchine fotografiche e laptop. Il loro impiego però, è principalmente limitato ad applicazioni non troppo grandi a causa dei loro limiti di sicurezza (si surriscaldano velocemente). Vi è inoltre un’alta percentuale di cobalto, elemento costoso, difficile da reperire e legato a grossi problemi etici di estrazione.
Le batterie al litio con chimica LMO (Litio manganese ossido) si comportano in modo molto simile a quelle che sfruttano la tecnologia LCO. La caratteristica principale delle batterie LMO è la capacità di fornire molta energia in breve tempo. Sono spesso utilizzate per le bici elettriche, in apparecchiature mediche e utensili come trapani e avvitatori.
Le batterie LMO hanno una stabilità termica superiore rispetto alle batterie a chimica LCO, ma trovano il loro limite nella capacità, che è inferiore rispetto ai sistemi a base di cobalto.
La chimica LFP (litio ferro fosfato) è quella che tra tutte risponde meglio alle esigenze specifiche del settore industriale (dall’automazione, alla robotica, logistica, costruzione, agricoltura, nautica, veicoli elettrici, fino ad arrivare a mezzi aeroportuali, piattaforme aeree e mezzi speciali).
I cicli di vita in una batteria con chimica LFP superano ad oggi i 3.500 cicli e in futuro ci si aspetta addirittura di arrivare ad oltre 6.000 cicli.
Litio Titanio è una chimica di cui si sente ancora parlare poco, ma pare essere molto promettente in termini di cicli vita, in quanto le sue basse tensioni interne e l’assenza di stress meccanico le consentono un bassissimo degrado, facendole raggiungere agevolmente i 15.000 – 20.000 cicli.
Al momento però porta con sé ancora qualche problematica che ne limita l’utilizzo e la diffusione: i bassi livelli di densità energetica e
il costo molto elevato.
Ciclo di vita della batteria (durata e smaltimento)
L'avvento dell'auto elettrica e la sua sempre più massiccia diffusione hanno fatto anche nascere numerose domande in istituzioni e consumatori, tra le quali le più ricorrenti sono legate alla durata delle batterie e al loro ciclo di vita che termina con lo smaltimento.
Quando parliamo di ciclo di vita facciamo riferimento a tre fasi fondamentali dell’intero processo che vede l’impiego delle batterie all’interno dell’automobile durante tutto il processo di produzione e utilizzo.
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prima fase: rappresenta tutto ciò che avviene prima che l’auto inizi a svolgere la sua funzione, e ha a che fare con l’estrazione, il trasporto, la prima lavorazione dei materiali grezzi, la produzione e l’assemblaggio, prima dei componenti e poi dell’auto completa, fino alla distribuzione e alla consegna al cliente finale.
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seconda fase: consiste nella rappresentazione dell’utilizzo dell’auto. Dal momento in cui l’auto viene accesa, il suo funzionamento è direttamente correlato a delle emissioni, e proprio per questo motivo il ciclo di vita è strettamente legato alla rappresentazione delle emissioni dell’auto durante tutta la sua esistenza.
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terza fase: rappresenta il fine vita delle automobili e coincide con la fase di rottamazione. Nonostante questo processo sia ben normato per quanto riguarda il recupero dei materiali, anche esso si presta a situazioni di poca chiarezza.
La combinazione di queste tre fasi va a formare il ciclo di vita della batteria e dell’automobile, che come dicevamo è variabile per ogni tipologia di mezzo.
In quest’ottica di avvento delle auto elettriche, la produzione delle batterie aumenta del 25% ogni anno. Con una crescita di questo ritmo, tra una decina di anni
ci troveremmo con una grande quantità
di batterie da smaltire, in considerazione soprattutto della presenza al loro interno
di elementi inquinanti, come il cobalto o
il nickel. Per questo motivo quindi
il riciclo delle batterie delle auto elettriche rappresenta un’importante sfida
per ottimizzare l’utilizzo delle risorse e promuovere un’economia circolare.
Per prima cosa gli studiosi stanno facendo una serie di esperimenti per capire quale tra smaltimento e riuso fosse la soluzione migliore. Uno studio condotto da Enel-X, ad esempio, mette a confronto queste due possibilità.
Una volta che una batteria al litio ha esaurito il proprio compito, di norma viene conferita per lo smaltimento in appositi impianti, così da evitare qualsiasi tipo di contaminazione. I benefici ambientali del riciclo delle batterie al litio sono molteplici, perché si evitano, ad esempio, nuove estrazioni e lavorazioni. Inoltre, vengono risparmiate risorse in metalli primari e combustibili fossili, ottenendo un dispendio minore di energia. Tuttavia lo smaltimento delle batterie al litio ha un costo non indifferente. Per di più una batteria esausta ha ancora una capacità residua che si aggira intorno al 75%, che se non è più adeguata per alimentare efficacemente un veicolo elettrico è però sufficiente per altri tipi di impiego. Proprio nell’ambito delle cosiddette second-life battery, o batterie di seconda vita, si inserisce il lavoro di Enel X, impegnata nel cercare soluzioni utili per sviluppare un’economia sempre più circolare e sostenibile.
Si può quindi capire quanto sia centrale questo ambito di studio nell’ottica futura di un ulteriore avvento dell’elettrico.
