Ecco come le batterie delle auto elettriche stanno diventando più economiche e pratiche

Circa 30 anni dopo la loro invenzione, le batterie agli ioni di litio sono diventate oggi il sistema di accumulo di energia dominante. Oggi, quasi tutte le nuove auto elettriche sul mercato utilizzano batterie le cui prestazioni sono in costante miglioramento dalla loro invenzione nel 1990. Tuttavia, il potenziale della tecnologia non è ancora esaurito, come hanno recentemente dimostrato diversi produttori.

Il più evidente è il rapido sviluppo delle batterie agli ioni di litio in termini di costi. Circa dieci anni fa, un kilowattora di capacità di accumulo costava circa mille euro. Oggi costa solo un centinaio di euro circa. Stanley Whittingham prevede che in futuro potrebbe scendere a cinquanta euro. Insieme ad altri due ricercatori, ha vinto il premio Nobel nel 2019 per la tecnologia agli ioni di litio.

Allo stesso tempo, la densità energetica raddoppierà, il che aumenterà notevolmente l'autonomia di guida o ridurrà notevolmente lo spazio necessario per le batterie. Entro quella data, un'autonomia da 600 a 700 chilometri potrebbe diventare la configurazione standard anche per i veicoli prodotti in serie.

Uno dei fattori più importanti nell'ottimizzazione della batteria è la sua progettazione. Attualmente, solo una parte relativamente piccola di una batteria è costituita da materiali attivi, ovvero i componenti direttamente responsabili dell'immagazzinamento dell'energia. Una batteria completa per veicolo elettrico è composta principalmente da materiali inattivi, tra cui non solo l'elettrolita, ma anche l'imballaggio della chimica della batteria e semplici contatti elettrici e cavi di alimentazione.

La causa di tale squilibrio è la progettazione strutturale tradizionale. La maggior parte delle batterie attuali è composta da celle singole, solitamente sacchetti di plastica a forma di cuscino, piccoli prismi o cilindri, che vengono unite in un involucro per formare moduli più grandi, che vengono poi assemblati in batterie complete. Di conseguenza, sono necessari grandi quantità di materiali di imballaggio e di assemblaggio, il che aumenta notevolmente il volume del prodotto finito, incrementando di conseguenza i costi e la complessità della produzione.

Guardare le batterie da una prospettiva diversa

Se si riuscisse in qualche modo a ridurre il volume del materiale inattivo, al suo posto si potrebbero installare componenti attivi, aumentando così la capacità senza aumentare il volume. Questo processo tende a essere spinto quasi ai limiti fisici e chimici delle batterie agli ioni di litio. È quasi impossibile riuscirci.

Il produttore cinese di batterie CATL ha recentemente compiuto un'importante mossa di ottimizzazione, rompendo la tradizionale struttura modulare delle batterie e integrando le celle direttamente nei pacchi batteria. Questo approccio aumenterebbe la densità energetica gravimetrica del 10-15 percento. I costi saranno ridotti del 20%. Una batteria con la stessa capacità è circa un quinto più piccola.

Sorprendentemente, Tesla ha adottato le batterie CATL in alcune versioni del Model 3 e le sue nuove batterie stanno gradualmente sostituendo quelle di Panasonic e LG Chem. Anche la Volkswagen si è recentemente impegnata pubblicamente ad adottare una strategia CTP. Le batterie corrispondenti saranno utilizzate per la prima volta nel modello Artemis intorno al 2025 e poi in tutte le serie.

A lungo termine, la progettazione della struttura della batteria diventerà più flessibile: questa tendenza in evoluzione è la "tecnologia CTC", in cui la batteria può essere integrata direttamente nel telaio senza un pacco batterie. In questo modo l'intera auto diventa una batteria mobile. CATL spera di raggiungere il suo obiettivo entro il 2030. Anche Tesla sembra che ci stia lavorando.

Tuttavia, la tecnologia CTC deve ancora affrontare grandi sfide se si utilizzano i comuni principi elettrochimici odierni. Anche in caso di una piccola collisione, il rischio di incendio sarà elevato. L'ottimizzazione dello spazio di installazione per i materiali inattivi apre nuove potenzialità anche per i materiali attivi.

BYD sta sviluppando batterie al litio ferro fosfato, mentre Toyota sta sviluppando batterie allo stato solido

Ad esempio, la tecnologia al litio ferro fosfato (LFP) sembrava essere stata marginalizzata a causa dei suoi grandi requisiti di spazio, ma di recente ha riacquistato attenzione. Tuttavia, poiché gli imballaggi, i contatti e i cavi odierni richiedono meno spazio, i prodotti chimici possono occupare più spazio. L'affidabilità operativa è maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio convenzionali, quindi in questo caso lo svantaggio spaziale è accettabile. Anche i danni meccanici più gravi non provocano più l'accensione spontanea della batteria.

Inoltre, le batterie al litio-ferro-fosfato possono evitare in gran parte l'uso di una materia prima rara, il nichel, che è costosa, rara e potenzialmente dannosa per l'ambiente. Oltre a CATL, anche il produttore cinese di batterie e automobili BYD è uno dei principali produttori di batterie al litio ferro fosfato. BYD ha recentemente applicato la sua tecnologia di batterie a lama alla serie Han.

Le batterie allo stato solido promettono di essere ancora migliori in termini di sicurezza. Poiché le batterie a lama BYD non si riscaldano facilmente come le tradizionali batterie agli ioni di litio quando subiscono danni meccanici, sono comunque riempite con elettroliti organici infiammabili. Nelle batterie allo stato solido, il componente richiesto come mezzo di trasporto degli ioni non è più un liquido, ma un solido. Pertanto non perde né evapora ed è meno probabile che prenda fuoco.

Questa tecnologia potrebbe essere disponibile entro un decennio. Ad esempio, Toyota Motor Group sta promuovendo automobili che utilizzano batterie allo stato solido, dopo aver mostrato finora diffidenza nei confronti dei veicoli elettrici. Un'alternativa sicura abbinata a un leader dello sviluppo affidabile potrebbe cambiare la situazione.

Inoltre, in futuro verrà ridotto l'uso di altre materie prime per le batterie, la più importante delle quali potrebbe essere il cobalto. Allo stesso modo, per motivi di costi, colli di bottiglia nell'approvvigionamento e tutela ambientale, rame, grafite e persino il litio saranno oggetto di eliminazione. Tuttavia, per quanto riguarda il litio, ci vorrà ancora del tempo prima che venga trovato un vero sostituto.

Dopotutto, non tutte le nuove batterie diffuse in tutto il mondo sono adatte all'uso nelle automobili. Anche se fosse possibile, i cicli di sviluppo e test estremamente lunghi potrebbero richiedere anni o addirittura decenni per passare dall'innovazione all'implementazione. La batteria agli ioni di litio è l'esempio migliore.

Vincitore del Qingyun Plan di Toutiao e del Bai+ Plan di Baijiahao, del Baidu Digital Author of the Year 2019, del Baijiahao's Most Popular Author in the Technology Field, del Sogou Technology and Culture Author 2019 e del Baijiahao Quarterly Influential Creator 2021, ha vinto numerosi premi, tra cui il Sohu Best Industry Media Person 2013, il China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, il Guangmang Experience Award 2015, il China New Media Entrepreneurship Competition Finals 2015 e il Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.