I progressi nella tecnologia delle batterie possono renderle più attraenti rispetto all’idrogeno

In un recente webinar di Mission Hydrogen, Maximilian Fichtner, direttore del Centro per l'Accumulo Elettrochimico dell'Energia di Ulm-Karlsruhe (CELEST) in Germania, ha sottolineato che l'idrogeno incontra ostacoli nella competizione con la tecnologia elettrica a batteria (BE) nei veicoli e nelle apparecchiature. Tra questi, le emissioni di gas serra (GHG) durante il ciclo di vita, l'efficienza energetica lungo tutta la catena di approvvigionamento e il costo per chilometro.

Per spiegare meglio cosa devono affrontare i sostenitori dell'idrogeno, Fichtner ha affrontato i vari progressi tecnologici nelle batterie per veicoli e apparecchiature mobili.

Tendenze degli ioni di litio

Riferendosi alla nota batteria agli ioni di litio, ha affermato: "Dall'introduzione sul mercato, avvenuta nel 1991, la densità energetica è aumentata di quattro volte. I costi sono diminuiti di 18 volte".

Fichtner ha citato i dati del numero di dicembre 2015 del Bollettino MRS della Materials Research Society, che indicavano una crescita della densità energetica gravimetrica delle batterie agli ioni di litio da circa 75 Wh/kg nel 1991 a circa 250 Wh/kg nel 2015. Gli stessi dati mostravano un calo dei costi da oltre 3000 dollari/kWh nel 1995 a circa 400 dollari/kWh nel 2015.

Fichtner ha aggiunto che solo negli ultimi 10 anni i costi delle batterie agli ioni di litio hanno registrato un calo del 90 percento, una riduzione che continua.

Migliorare la sostenibilità

Secondo Fichtner, sono sviluppi come questi ad avere un impatto significativo sulle innovazioni apportate dall'industria delle batterie. Una di queste riguarda la sostenibilità.

"In passato, eravamo sempre spinti a sviluppare batterie migliori – più energia, ricarica più rapida, maggiore sicurezza, maggiore durata – il che significava che cercavamo materiali migliori e [a] sviluppare progetti di batterie migliori", ha affermato Fichtner. "Nel frattempo, poiché ci sono così tante batterie e le [prospettive] sono enormi, dobbiamo basarci su materiali sostenibili".

Secondo Fichtner, gran parte del mondo sta sviluppando batterie sostenibili basate su materie prime non tossiche che possono essere riciclate: uno sviluppo che si traduce in tipologie di batterie completamente nuove.

Chimica catodica

Per cominciare, Fichtner ha affermato che il cobalto sotto forma di ossido di cobalto (CoO2), inizialmente utilizzato per realizzare catodi per batterie, è stato nel frattempo gradualmente eliminato.

Illustrazione di diversi tipi di batterie agli ioni di litio che ne mostrano il contenuto di nichel, manganese e cobalto. (Immagine: mino21 tramite Adobe Stock)

"È ancora presente nei cellulari, a volte anche nei computer portatili", ha detto. "Non è una buona idea se si vogliono costruire batterie di grandi dimensioni, perché è costoso, è tossico, si verifica soprattutto in condizioni minerarie [difficili] e può anche causare situazioni critiche per la sicurezza".

Il portale sulle sostanze tossiche dei Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie (CDC) ha affermato che il cobalto può essere dannoso se esposto a grandi quantità. Ha anche citato agenzie di tutto il mondo che hanno dichiarato che l'elemento è probabilmente cancerogeno.

Inoltre, le informazioni sul sito web della Global Battery Alliance, che ha introdotto l'idea dei passaporti per le batterie , affermano che le miniere di cobalto nella Repubblica Democratica del Congo sono state collegate al lavoro minorile e ad altre violazioni dei diritti umani.

Per abbandonare il cobalto, Fichtner ha affermato che i produttori di batterie hanno utilizzato nichel e manganese come sostituti parziali, creando composti di nichel/manganese/ossido di cobalto (NMC) che vengono comunemente combinati con il litio nella creazione delle batterie.

"Il primo passo è stato che rimanesse solo un terzo di cobalto", ha detto Fichtner, riferendosi a una composizione tipicamente nota come NMC 111. "Poi ne è rimasto il 20% (NMC 622), e poi il 10% (NMC 811)".

Dal 2020 sono state introdotte altre formulazioni catodiche che hanno eliminato completamente il cobalto, ha affermato Fichtner. Tra queste, i catodi in litio ferro fosfato (LFP), i cosiddetti catodi a ossido stratificato NMX che utilizzano nichel e manganese e i catodi in ossido di litio manganese (LMO).

Materiali anodici in evoluzione

Anche i materiali che compongono gli anodi delle batterie sono cambiati. Fichtner ha affermato che, mentre il coke di petrolio e la grafite naturale erano e continuano a essere utilizzati, la grafite sintetica ha iniziato a farsi strada.

"Abbiamo scelto la grafite sintetica perché la grafite naturale proviene principalmente dalla Cina e noi vogliamo renderci indipendenti", ha affermato Fichtner.

Ha aggiunto che in futuro il carbonio puro sarà probabilmente sostituito in parte dal silicio.

"Il silicio si lega al litio e ha una capacità 10 volte superiore a quella del litio", ha affermato Fichtner. "Tuttavia, si espande e si restringe, quindi non è possibile utilizzarlo in forma pura. Ma è possibile ricavarne materiali compositi e aumentare la capacità delle batterie del 40%".

Miglioramenti delle celle della batteria

Questi cambiamenti nella chimica delle batterie hanno reso possibile anche il miglioramento della progettazione delle celle.

"Si è scoperto che la configurazione classica di una batteria, rimasta in un certo senso scolpita nella pietra per decenni, può essere modificata", ha affermato Fichtner.

Un approccio è stato quello di eliminare completamente l'anodo, poiché Fichtner ha affermato che aveva una capacità di accumulo relativamente bassa pur occupando spazio significativo. Chiamate celle "senza anodo" o "a zero eccesso", Fichtner ha affermato che il litio viene posizionato direttamente sul collettore in rame, creando litio metallico.

"Su scala di laboratorio, le prime celle hanno già densità energetiche di 710 o 712 Wh/kg", ha affermato Fichtner, aggiungendo che si tratta di circa il doppio della densità energetica delle attuali batterie agli ioni di litio sul mercato, che si attestano tra 340 e 350 Wh/kg. Sebbene nessuna azienda abbia ancora commercializzato questa tecnologia, Fichtner ha affermato che un'azienda cinese, Tailan New Energy, ha affermato di starci lavorando.

"È interessante notare che se si prende una cella di questo tipo e la si inserisce in una normale batteria che utilizziamo attualmente, sostituendo le nostre celle della batteria con questo tipo di cella, si otterrebbe un'autonomia di 1900 km", ha affermato Fichtner.

Ha aggiunto che Samsung sta lavorando a un nuovo design per batterie che mutua la tecnologia dell'anodo a eccesso zero e la combina con il cosiddetto design cell-to-pack.

"Le celle sono progettate e assemblate in modo molto più efficiente", ha affermato Fichtner. "E se si combinano entrambe le caratteristiche, affermano di ottenere 500 Wh/kg. Si tratta di una capacità due volte superiore rispetto allo stato dell'arte. Possono raggiungere un'autonomia di 900 km in nove minuti. Sostengono una garanzia di 20 anni [e] non contengono liquidi combustibili. Affermano che è attualmente testato su veicoli a batteria e che intendono produrlo in serie a partire dal 2027."

Progettazione cella-pacco

Riguardo all'avvento della tecnologia cell-to-pack, Fichtner ha spiegato che le batterie odierne contengono in genere 12 moduli da 12 celle ciascuno, ciascuna delle quali ha all'incirca le dimensioni di una grossa barretta di cioccolato.

Moduli batteria agli ioni di litio per una tipica applicazione in un veicolo elettrico. (Immagine: IM Imagery tramite Adobe Stock)

"Il problema è che questa configurazione, questa costruzione, contiene solo il 25-30% di materiale di accumulo attivo", ha detto Fichtner. "Il resto è imballaggio, contenitori, cavi, quant'altro."

Alcuni produttori cinesi hanno iniziato ad affrontare questo problema realizzando celle singole significativamente più grandi, "non delle dimensioni di una barretta di cioccolato, ma di una scheda", ha affermato Fichtner. Il risultato è stato il design "cell-to-pack".

"Si hanno celle larghe 1,2 m che vengono semplicemente inserite in un telaio senza bisogno di cablaggi complessi", ha affermato. "Guadagnano circa il 30% di spazio per il materiale attivo all'interno di una struttura di questo tipo. Allo stesso tempo, il numero di componenti necessari per fabbricare la batteria si riduce del 40%".

Fichtner ha aggiunto che il design più efficiente in termini di spazio consente di utilizzare altri materiali per le celle della batteria, come LFP, talvolta meno desiderabili nell'attuale configurazione del pacco batteria.

Questo nuovo design "cell-to-pack" è stato adottato nel 2020 dalla casa automobilistica cinese BYD, con un'autonomia di 600 km. Anche la cinese Geely ha presentato un'auto con questo tipo di pacco batteria, con un'autonomia di 1000 km.

L'idrogeno deve affrontare le sfide della concorrenza con i veicoli elettrici a batteria. Un recente webinar di Mission Hydrogen ha cercato di valutare le sfide che l'idrogeno deve affrontare rispetto alle più recenti tecnologie delle batterie.