Auto con guida autonoma: cos’è e gli ultimi passi avanti della tecnologia
Le superbatterie per le auto elettriche agli ioni di litio allo stato solido puntano ad innovare il mercato. I produttori devono però trovare abbastanza materiali critici per costruirle. E non solo: ecco le problematiche da risolvere
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Le superbatterie per auto elettriche potrebbero essere l’innovazione più desiderata dagli automobilisti, che infatti elencano tre priorità per passare agli EV: una lunga autonomia di guida, un breve tempo di ricarica e un prezzo competitivo con quello di un veicolo dotato di un motore a combustione interna.
Per raggiungere questi obiettivi, le case automobilistiche hanno cercato di sostituire le tradizionali batterie agli ioni di litio (Li-ion) che alimentano la maggior parte dei moderni veicoli elettrici (EV) con versioni più evolute “allo stato solido”.10 Things You Didn’t Know About Toyota’s Solid State Batteries & EV Goals!
Questi nuovi tipi di superbatterie per auto elettriche promettono da tempo una ricarica più rapida e un’autonomia di guida decisamente superiore. “La ricerca va infatti in questa direzione”, conferma Luigi di Marco, membro delle segreteria generale dell’AsVis (Alleanza Italiana per lo sviluppo sostenibile), “e le aziende del settore ce la stanno mettendo tutta, perché significa diventare competitive in questa transizione”.
Finalmente, dopo anni di problemi tecnici, gli sforzi per realizzarle si stanno concretizzando: le prime batterie agli ioni di litio allo stato solido entreranno in produzione nei prossimi anni.
Tuttavia “al di là degli annunci”, commenta Francesco Naso, ingegnere, segretario generale di Motus-E, “le batterie allo stato solido devono ancora superare alcune barriere per l’industrializzazione massiva“. Ecco quali ostacoli vanno risolti, mentre sul mercayo escono novità rilevanti per tagliare i costi e portare i prezzi a livelli per tutte le tasche.
Pro e contro delle superbatterie per le auto elettriche: a che punto siamo
Toyota, la più grande casa automobilistica del mondo, ha iniziato a studiare le batterie allo stato solido nel 2012. Nel corso degli anni, secondo l’Economist, aveva l’intenzione di mostrare prototipi funzionanti, salvo cambiare idea. Di recente, però, l’azienda ha annunciato di aver compiuto una “svolta tecnologica” e di voler iniziare a produrre una batteria allo stato solido già nel 2027. Toyota sostiene che la sua nuova batteria fornirà a un EV un‘autonomia di circa 1.200 km (746 miglia), circa il doppio di quella di molti modelli esistenti, e potrà essere ricaricata in circa dieci minuti.
Tuttavia le batterie allo stato solido devono ancora risolvere ostacoli per l’industrializzazione massiva. “Non solo per le difficoltà di riempimento dell’intero spazio della cella per aumentare al massimo il contatto fra la superficie degli elettrodi e l’elettrolita”, spiega l’ingegner Naso, “ma anche perché molti processi già in piedi nelle fabbriche di celle con elettrolita liquido non possono essere utilizzati per quelle allo tanto solido”.
E ciò significa che “non si possono sfruttare le economie di scala che si stanno raggiungendo con le litio ione tradizionale per lo stato solido. In tal senso è prevedibile che le stato solido che entreranno sul mercato saranno batterie dedicate a segmenti più di nicchia”.
Non solo una questione di economia di scala
Toyota però non è sola. Altri produttori che stanno sviluppando batterie agli ioni di litio allo stato solido parlano di prestazioni allettanti, in linea con quelle del colosso nipponico. Nissan, per esempio, sta costruendo un impianto pilota a Yokohama che inizierà a produrre versioni di prova il prossimo anno. Un impianto simile è previsto in Germania da BMW in collaborazione con Solid Power, uno sviluppatore di batterie con sede in Colorado. QuantumScape, una startup della Silicon Valley, ha iniziato a spedire prototipi di batterie allo stato solido alla Volkswagen, il suo principale finanziatore.
Ma, nonostante il fermento suscitato dall’entusiasmo per le superbatterie, gli ostacoli che incontrano a bordo delle auto elettriche non riguardano solo l’economia di scala. “Gli avanzamenti che si stanno vedendo sulle LFP ‘tradizionali’ (come l’aggiunta di manganese o l’ibridizzazione dei pacchi anche con celle a più alte prestazioni, come le Nmc, o nuovi processi produttivi con minor fabbisogno energetico) saranno più utili nel breve medio periodo ad abbattere i costi e ad offrire auto e mezzi elettrici più abbordabili da un pubblico di massa”, continua Francesco Naso.
I tempi lunghi delle superbatterie
Lo sviluppo delle superbatterie allo stato solido per auto elettriche ha richiesto più tempo del previsto. Far funzionare un nuovo tipo di batteria in laboratorio è una cosa, ma giungere a produrne milioni in fabbrica è un’impresa difficile. Seppur inventate alla fine degli anni ’70, le batterie agli ioni di litio sono state pienamente commercializzate solo all’inizio degli anni ’90, dapprima per dispositivi elettronici portatili, come computer e telefoni cellulari, e poi in versioni più grandi che potevano essere utilizzate per alimentare una nuova generazione di veicoli elettrici.
Le auto elettriche esistono fin dagli albori dell’automobilismo. In effetti, Clara Ford preferiva di gran lunga la sua Detroit Electric del 1914 ai veicoli a benzina prodotti dal marito Henry.
Ma queste prime auto elettriche, e altre apparse negli anni successivi, erano in gran parte alimentate da decine di pesanti batterie al piombo-acido, che erano costose, fornivano un’autonomia limitata e spesso procedevano alla velocità di un bradipo. Senza i brividi delle auto da corsa.
Leggera e in grado di immagazzinare una carica elevata, la batteria agli ioni di litio ha ridotto i costi e aumentato l’autonomia, consentendo di dare il via all’elettrificazione dei trasporti. Le batterie agli ioni di litio allo stato solido ora promettono una nuova trasformazione.
I vantaggi delle celle a stato solido
Le case automobilistiche hanno provato un’attrazione iniziale verso le celle a stato solido per migliorare la sicurezza. Infatti, per quanto potenti, le tradizionali celle agli ioni di litio comportano un rischio. Infatti contengono un elettrolita liquido, tipicamente composto da solventi organici, che sono estremamente infiammabili. Pertanto, se una batteria agli ioni di litio subisce un danneggiamento, come può accadere in un incidente, o se si surriscalda durante la ricarica, può esplodere in fiamme.
L’uso di un elettrolita solido non infiammabile evita questo grave problema. Gli elettroliti solidi possono essere realizzati con un’ampia varietà di sostanze chimiche, tra cui polimeri e ceramiche. Ma persino Toyota, il guru della produzione di massa, ha incomtrato difficoltà iniziali a far funzionare le celle a stato solido in modo efficiente per un lungo periodo di tempo.
Il meccanismo
Un elettrolita solido non migliora necessariamente le prestazioni di una batteria. Tuttavia consente di riprogettare una batteria agli ioni di litio, per esempio, in modo da renderla ancora più piccola e leggera e, quindi, in grado di racchiudere più energia in meno spazio. Inoltre, consente agli ingegneri di ampliare la gamma di materiali che possono utilizzare per produrre una batteria agli ioni di litio e di modificarne il funzionamento. “Estendere la gamma di materiali critici è nell’interesse di tutti”, spiega Luigi di Marco, “sotto il profilo geopolitico, per i motivi che conosciamo (ci sono potenze che se li accaparrano eccetera, ndr); e sotto l’aspetto della ricerca, per sostituire le materie critiche con altre più disponibili ed abbondanti, magari anche con filiere più sostenibili. Nessuno ha intenzione di lesinare in spesa nella ricerca“, perché sarà la ricerca e sviluppo a fare la differenza nell’automotive.
Nonostante la loro natura incandescente, gli elettroliti sono utilizzati in forma liquida per una buona ragione. Gli ioni sono particelle cariche e si formano su uno degli elettrodi della batteria, il catodo, quando la cella viene caricata, provocando la rimozione degli elettroni dagli atomi di litio.
L’elettrolita fornisce un mezzo attraverso il quale gli ioni migrano verso un secondo elettrodo, l’anodo. Nel farlo, gli ioni passano attraverso un separatore poroso che tiene separati gli elettrodi per evitare un cortocircuito. Gli elettroni creati al catodo, invece, viaggiano verso l’anodo lungo i fili del circuito di carica esterno. Gli ioni e gli elettroni si riuniscono all’anodo, dove vengono immagazzinati. Quando la batteria si scarica, il processo si inverte: gli elettroni nel circuito alimentano un dispositivo che, nel caso di un EV, è il suo motore elettrico.
Il mezzo è il messaggio: i problemi delle superbatterie per auto elettriche
Affinché tutto questo funzioni in modo efficiente, gli ioni devono muoversi agevolmente tra l’elettrolita e gli elettrodi. Gli elettrodi sono rivestiti di vari materiali, sotto forma di strati di particelle minuscole.
Poiché l’elettrolita liquido di una batteria agli ioni di litio tradizionale può scorrere in questi strati e immergere le particelle, si ottiene un’ampia superficie attraverso cui gli ioni possono passare. Un elettrolita solido non può scorrere in tutti gli angoli e le fessure, quindi deve essere compresso con forza contro gli elettrodi per creare un buon contatto. Tuttavia, se si costruisce la batteria, si possono danneggiare gli elettrodi. Risolvere il problema della conduttività è una delle principali sfide tecniche nella produzione di batterie allo stato solido, secondo Mathias Miedreich, capo di Umicore, azienda di Bruxelles che fornisce materiali per batterie.
Nonostante i problemi iniziali, nell’ultimo anno le case automobilistiche giapponesi hanno fatto grandi passi avanti nella produzione di batterie agli ioni di litio allo stato solido su scala. Lo riporta Miedreich, secondo cui i nipponici sono apparsi un po’ ritardatari nel lancio dei veicoli elettrici, ma potrebbero sbaragliare la concorrenza con queste nuove batterie. Forse.
Ma la corsa alla costruzione delle superbatterie per auto elettriche è tutt’altro che vinta, anche perché i concorrenti si presentano in molte forme diverse.
I player già sul mercato
Alcune batterie allo stato solido sono già sul mercato. Per esempio, Blue Solutions, un’azienda francese che fa parte del gigantesco Gruppo Bolloré, ne produce una che contiene un polimero come elettrolita. Poiché richiede una temperatura di esercizio elevata, la batteria è più adatta a veicoli che, una volta riscaldati, rimangono in uso costante. Per questo motivo viene utilizzata per alimentare gli autobus elettrici.
Fasi intermedie
Altre sono una sorta di passo intermedio, in quanto contengono ancora piccole quantità di elettrolita liquido per aiutare la conducibilità. Molti dei produttori cinesi di batterie che dominano il mercato stanno lavorando a versioni semisolide. Contemporary Amperex Technology (catl), un’azienda cinese che produce più di un terzo delle batterie ev del mondo, misurate in base alla loro capacità totale, afferma che potrebbe iniziare la produzione entro quest’anno di una versione semi-solida che chiama batteria “condensata”. L’azienda sostiene che questa batteria avrà un alto livello di sicurezza e una grande capacità di stoccaggio.
La capacità di una batteria può essere misurata in base alla sua energia specifica, che è la quantità di energia che può essere immagazzinata in base al peso. Secondo catl, la sua batteria condensata sarà in grado di immagazzinare fino a 500 wattora per chilogrammo (wh/kg). Le batterie agli ioni di litio con elettroliti liquidi più performanti attualmente disponibili sul mercato tendono a raggiungere i 300wh/kg. Le batterie completamente allo stato solido potrebbero essere in grado di raggiungere i 600wh/kg o oltre. Oltre a potenziare le prestazioni dei veicoli elettrici su strada, batterie di tale potenza e leggerezza estenderanno notevolmente il raggio d’azione dei piccoli taxi aerei a decollo e atterraggio verticale che stanno per essere certificati idonei al volo.
La capacità, tuttavia, è solo una delle caratteristiche di una batteria. La velocità di erogazione della potenza, la durata e il costo sono fattori altrettanto importanti. Ma la soluzione di questi problemi comporta dei compromessi.
Aumentando la quantità di energia immagazzinabile, infatti, è probabile che i costi aumentino se è necessaria una maggiore quantità di litio. Inoltre, una ricarica rapida regolare potrebbe ridurre la durata della batteria. Il trucco per trovare il giusto equilibrio dipende dai materiali delle batterie che vengono scelti.
Problemi legati ai materiali critici
Si parte dai catodi, il componente più costoso di una batteria agli ioni di litio. In teoria, le superbatterie allo stato solido per auto elettriche sono abbastanza agnostiche riguardo al tipo di materiale da utilizzare. Le due varietà più comuni di catodi sono i cosiddetti Nmcs, che contengono rivestimenti di litio insieme a vari rapporti di nichel, manganese e cobalto, e gli lfps, composti da una miscela di litio e ferro fosfato. Evitando l’uso dei costosi nichel e cobalto, gli lfps stanno guadagnando terreno. Sono una particolare specialità cinese. Ma, avendo una capacità di immagazzinamento inferiore rispetto agli Nmc, tendono a essere utilizzati in veicoli che non richiedono un livello elevato di prestazioni.
Con centinaia di laboratori in tutto il mondo che lavorano su nuovi materiali per batterie, sono destinati a comparire altri tipi di catodi. Umicore, ad esempio, ha collaborato con Idemitsu Kosan, un produttore giapponese di elettroliti, per sviluppare un tipo di materiale chiamato catolita, che combina le sostanze chimiche del catodo con un elettrolita solido per formare un unico strato. Se funzionasse, la costruzione delle batterie sarebbe ancora più semplice. Gli scienziati stanno anche lavorando per utilizzare il sodio al posto del litio come fonte di ioni in una batteria. Il sodio è abbondante ed economico, anche se il litio, essendo il metallo più leggero in assoluto, sarebbe ancora in vantaggio in alcune applicazioni di trasporto.
Non solo catodi: i cambiamenti riguardano anche gli anodi
Anche per quanto riguarda gli anodi sono in corso dei cambiamenti. Attualmente, la maggior parte degli anodi è costituita da grafite, una forma pura di carbonio estratta da poche miniere, per lo più in Mozambico o in Cina, o prodotta sinteticamente in stabilimenti petrolchimici con processi ad alta intensità di carbonio. Poiché un elettrolita solido riduce il rischio di reazioni avverse, è possibile utilizzare materiali come il silicio e alcuni metalli, in particolare il litio nella sua forma metallica. Questi materiali sono in grado di immagazzinare più energia in meno spazio rispetto alla grafite, il che consente di rendere le batterie più piccole e più leggere. Si risparmia ulteriore spazio perché un elettrolita solido può fungere anche da separatore.
Superbatterie per auto elettriche prive di anodo
Alcune batterie allo stato solido saranno “prive di anodo”. Questa è la direzione intrapresa anche da QuantumScape. Utilizza una ceramica proprietaria che funge sia da separatore che da elettrolita e che viene collocata tra un catodo e una lamina metallica. Quando la batteria è carica, gli ioni di litio migrano attraverso l’elettrolita solido e si accumulano sulla lamina, placcandola di fatto con il litio per formare un anodo funzionante. Quando la batteria si scarica, gli ioni migrano di nuovo e l’anodo si ritira.
Formare un anodo in questo modo significa che la batteria si espande e si contrae. Questo accade anche nelle celle agli ioni di litio tradizionali, di circa il 4% rispetto al 15% circa delle celle QuantumScape, spiega Tim Holme, cofondatore dell’azienda. Questo movimento viene compensato nell’imballaggio delle celle, che vengono impilate in strati per formare i moduli che compongono una batteria ev completa.
Oltre a una lunga autonomia e a un tempo di ricarica rapido, QuantumScape afferma che la sua batteria avrà anche una “durata di ciclo” prolungata. Si tratta di una misura del numero di volte in cui può essere caricata e scaricata prima che la capacità della batteria scenda al di sotto del 90% e il suo livello di prestazioni inizi a diminuire. Secondo il dottor Holme, la batteria QuantumScape dovrebbe durare almeno 800 cicli. Quindi, se ogni carica fornisse solo un’autonomia media di circa 500 km, l’autonomia di vita di un’autovettura sarebbe comunque di circa 400.000 km, il che è ottimo per qualsiasi veicolo. Essendo in ceramica, il separatore della batteria resiste anche alla formazione di dendriti, aggiunge il dottor Holme. Si tratta di microstrutture metalliche simili a dita che possono crescere all’interno di un elettrolita liquido e causare un cortocircuito. Le batterie semi-solide, comprese quelle condensate, potrebbero comunque essere vulnerabili a questo fenomeno.
La linea di produzione
Quanto siano valide queste nuove batterie non si saprà fino a quando non arriveranno nelle auto e si potranno verificare le dichiarazioni dei produttori. L’autonomia pubblicizzata degli attuali veicoli elettrici può essere irraggiungibile in condizioni di guida reali. Le prime batterie semi-solide dovrebbero comparire nelle auto nel 2025-26, afferma Xiaoxi He della società di analisi IDTechEx. Si aspetta che le prime versioni completamente solide, come quelle sviluppate da Toyota e altri, appaiano nel 2028.
All’inizio i numeri saranno piccoli, poiché le aziende si impegneranno nella produzione di prova prima di investire miliardi di dollari per convertire le “gigafabbriche” esistenti per produrre le nuove batterie o per costruirne di nuove. Ciò significa che le batterie saranno costose e che le prime applicazioni saranno nei veicoli di lusso e ad alte prestazioni, aggiunge il dottor He. Per questo motivo, prima che le batterie allo stato solido più economiche diventino ampiamente disponibili nelle auto di famiglia, potrebbe essere necessario attendere fino al 2030.
Superbatterie: è l’ora di ridurre i prezzi delle auto elettriche
In larga misura, il successo della produzione di massa nel ridurre i costi dipenderà dall’andamento dei prezzi delle materie prime nel prossimo decennio. “Le batterie allo stato solido consumeranno molto più litio”, afferma Fabian Duffner, della Porsche Consulting, gestita come parte indipendente del produttore tedesco di auto sportive. A seconda delle modalità di produzione, stima che le batterie contenenti catodi e anodi di maggiore capacità avranno bisogno del 40-100% in più di litio. Allo stesso tempo, anche i produttori avranno bisogno di litio aggiuntivo, dato che la loro produzione passerà sempre più dai veicoli con motore a combustione alla produzione di veicoli elettrici.
Tuttavia “c’è tantissimo spazio per la ricerca ancora e su questo in Italia dobbiamo accelerare, ma non dobbiamo necessariamente pensare a una nuova tecnologia disruptive che renderà inutile la precedente, è plausibile che si arrivi – passo dopo passo – a batterie con densità energetiche maggiori (sopra i 400Wh/kg) a seconda delle applicazioni e dei costi attesi”, conclude Francesco Naso di Motus-E.
Conclusioni
Le superbatterie rappresentano una tecnologia interessante per spingere sulle auto elettriche. In Europa “con le politiche attuali (per raggiungere l’obiettivo del Net-zero) puntiamo non solo ad accelerare la transizione all’elettrico”, spiega Luigi di Marco, “ma anche a ridurre il parco auto circolanti“.
“Questo è un fattore che anche le case automobilistiche stanno prendendo in considerazione. Ma ciò non deve spaventare, perché i colossi automobilistici operano in un mercato globale in crescita, mentre si affacciano al benessere nuovi Paesi come l’India ed altre realtà del G20 (la tedesca Volkswagen è in trattative con l’indiana Mehindra per le auto elettriche, mentre l’export verso la Cina cala del 9%, ndr), i cui cittadini sono interessati a salire a bordo delle auto, anche per la prima volta”.
I Paesi che stanno aderendo al gruppo dei Brics vale infatti il 36% del Pil mondiale: “Tutti fanno l’innovazione e non dobbiamo frenare perché non ce la facciamo: farcela significa riuscire a trasformare e rendere competitive tutte le filiere, riducendo i prezzi. Infine nella composizione del prazzo, ci saranno misure provenienti dalla fiscalità. Non solo incentivi (per acquistare auto elettriche), ma carbon tax ed altre misure. Da soli non ce la facciamo, in Europa la solidarietà è vincente”, conclude Luigi di Marco. Ma, come dice l’ex ministro del Consiglio italiano ed ex presidente della Bce Mario Draghi, serve più spazio fiscale. Occorre un salto di qualità in Europa, cedendo sovranità, verso un Commissario del Tesoro comune.
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11/10/23
Agenda Digitale
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