Le batterie e il futuro delle fonti energetiche – Parte 1

simbolo batteria li-ion rappresentato su schermo smartphone

Se lo sviluppo scientifico si prefigge l'obiettivo di produrre device a minor consumo sempre più efficienti, dall'altro il mercato aumenta la diffusione di questi ultimi, incrementando la domanda energetica. Il grande problema del nostro tempo riguarda il consumo energetico e le relative risorse in uso. I combustibili, si sa, sono una risorsa limitata, vi è bisogno di un cambio di paradigma, di una transizione capace di risolvere le problematiche odierne e di dar vita a un sistema alternativo di accumulo e rifornimento energetico che ci permetta di abbandonare i combustibili a favore delle fonti rinnovabili. La batteria rappresenta una tecnologia cruciale per avviare il processo di decarbonizzazione, ma la questione è complicata: le batterie racchiudono in sé un potenziale enorme, sia in termini positivi, sia in termini negativi.

Introduzione

Una delle problematiche del nostro tempo riguarda il consumo energetico e il conseguente impatto ambientale.
Da un lato, lo sviluppo scientifico ha permesso la generazione di dispositivi più efficienti, a basso consumo, dall'altro lo stesso sviluppo ha permesso una più grande diffusione e commercializzazione tecnologica. Si tratta di una specie di circolo vizioso, del c.d. paradosso di Jevons, secondo il quale il progresso di una tecnologia comporta un accrescimento dell’efficienza e la riduzione dell’energia necessaria al suo utilizzo, ma implica al contempo un incremento del consumo: il device ottimizzato è più efficiente con meno energia, ciò abbatte i costi, rendendolo accessibile a una più vasta cerchia di utenti, aumentando dunque il consumo anziché ridurlo. Le problematiche relative a risorse e rifornimento energetico sommate all’incremento della domanda di dispositivi elettronici sempre più variegati e a minor consumo, non sono di facile risoluzione.
Dalla ricerca arrivano molteplici stimoli che potrebbero trasformarsi in soluzioni effettive per avviare il processo di decarbonizzazione in maniera efficace. Nel tentativo di delineare quale sia il futuro delle fonti energetiche si devono considerare numerose tecnologie, tra cui i sistemi di accumulo energetico. Uno degli elementi critici per la realizzazione della decarbonizzazione è infatti la batteria, che però racchiude in sé potenziali soluzioni e gravi rischi. Al giorno d'oggi, nella famiglia delle tecnologie di storage energetico, la batteria al litio risulta la più performante, e continua a predominare nel mercato (alta densità energetica, basso livello di autoscarica, ottima durata).

automobile elettrica durante caricamento

Figura 1: Close-up di un'automobile elettrica durante la fase di ricarica

LE BATTERIE DI OGGI

Grazie all’innovazione e all’impiego di nuovi materiali, le batterie agli ioni di litio (batterie Li-Ion o LIB Lithium Ion Battery) sono nettamente migliorate. Si tratta di sostituire i materiali in uso per la costituzione degli elettrodi e dell'elettrolita con materiali alternativi, aventi caratteristiche strutturali più vantaggiose; l’obiettivo primario è potenziare la capacità di accumulo, aumentare efficienza e potenza, allungare il ciclo di vita e ridurre i costi. Per non dimenticare la diminuzione dell’impatto ambientale e la generazione di un processo di riciclo capace di riassorbire i materiali nel canale produttivo.

CATODO, MATERIALI IN USO E RECENTI SVILUPPI

Le batterie agli ioni di litio costituiscono una vasta famiglia. Ogni composto utilizzato comporta specifici vantaggi e difetti, vediamo alcuni esempi.

Batterie LCO, al litio ossido di cobalto (LiCoO2); si tratta della tipologia predominante nel mercato dell'elettronica di consumo. Dotate di densità energetica e velocità di ricarica elevate sono ideali per applicazioni di medie e piccole dimensioni. Data l'instabilità strutturale che le caratterizza non sono adatte ad applicazioni più grandi (non è infatti una tipologia ottimale per il mercato EV).
Tecnologia LFP, litio ferro fosfato (LiFePO4); si caratterizza per elevata stabilità termica ed elettrochimica, lungo ciclo di vita, sicurezza ottimizzata e costi ridotti (data l’abbondanza di ferro). Le sue caratteristiche la rendono un interessante sostituto delle LCO. Il difetto sta nella limitata densità energetica e nella scarsa conduttività, che porta infine a un costo eccessivo per kWh, nonostante la riduzione iniziale dei prezzi. Le LFP sono spesso utilizzate per applicazioni industriali (robotica, automazione, EV, logistica, ecc.).
Tecnologia LMO, litio ossido di manganese (LiMn2O4); rappresenta un'opportunità per eliminare il cobalto e per ridurre la quantità di litio all’interno della cella. Analogamente alle LFP ha costi ridotti, buona stabilità termica, maggiore sicurezza, bassa densità energetica, scarsa capacità. L’utilizzo è limitato da un graduale accrescimento dell'instabilità strutturale (con conseguente accorciamento del ciclo di vita), dovuto alla dissoluzione del manganese. Queste batterie vengono spesso combinate con le NMC nel mercato automotive, al fine di allungare il ciclo di vita, accrescere la capacità e abbassare i costi di produzione.
Batterie NCA, litio nichel cobalto ossido di alluminio (LiNiCoALO2); sono caratterizzate da un’elevata densità energetica (giungendo fino a 250-300 Wh/kg); al momento i ricercatori si focalizzano sull'aumento della percentuale di nichel, al fine di ridurre quella di cobalto, per accrescere ulteriormente la densità energetica ed abbassare simultaneamente il costo/kWh. Il problema è che un incremento di nichel nella cella implica un deterioramento della stabilità termica e delle performance. Chimica frequentemente impiegata nella produzione di automobili elettriche in combinazione con le batterie NMC.
Le batterie al litio con catodo NMC (nichel, manganese, cobalto - LiNixMnyCozO2) si caratterizzano per una bassa resistenza interna (grazie alla presenza di manganese), un'elevata capacità (grazie al nichel), e un prezzo ridotto grazie alla riduzione della percentuale di cobalto impiegato. La capacità specifica risulta simile, se non superiore, a quella delle LCO, operando agli stessi standard. Il design delle NMC può variare a seconda del rapporto stechiometrico tra i metalli impiegati; per esempio, incorporando una quantità maggiore di Ni si otterranno maggiori densità energetica e capacità, a discapito della stabilità termica e della durata. Il manganese, d'altra parte, comporta un'inferiore resistenza interna ma anche una più scarsa energia specifica. Il cobalto invece offre un netto miglioramento della conduttività elettrica, ma implica anche costi di produzione piuttosto elevati. Le batterie NMC 811, per esempio, si compongono di Ni 80%, Mn 10%, Co 10%, mentre la chimica NMC 622 di Ni 60%, Mn 20%, Co 20%, ecc.

ANODO, MATERIALI IN USO E RECENTI SVILUPPI

Per gli anodi di una batteria agli ioni di litio si possono utilizzare vari composti di carbonio, silicone, metalli e relativi ossidi, nitruri, fosfuri e solfuri. La grafite è un materiale dominante in questo mercato: economica, facilmente ottenibile, caratterizzata da una densità di energia relativamente alta. Piuttosto debole però se paragonata al silicone. La sostituzione della grafite con il silicone potrebbe portare a un punto di svolta, anche se non mancano le difficoltà: il silicone ha sì una capacità potenzialmente superiore, ma ha il grande difetto di subire variazioni strutturali che danneggiano il funzionamento della cella (si espande fino al 400% durante il passaggio degli ioni in confronto alla variazione del 7% subita della grafite). Questi rigonfiamenti comportano delle gravi deformazioni della cella, sforzi e fratture strutturali delle particelle di silicone, che agevolano la formazione del SEI portando alla riduzione dell'efficienza coulombica. Per mitigare si testa l’impiego di nanostrutture a base di silicone e carbonio, oppure di particolari additivi per l'elettrolita capaci di stabilizzare il SEI; soluzioni efficaci che risultano però particolarmente costose. Nonostante le alte performance ottenute, pensare di sostituire completamente la grafite con il silicone è per ora impensabile. Altri materiali a formazione di lega con il litio, come per esempio lo stagno o il silicio, sono capaci di accumulare nella propria struttura cristallina un numero superiore di ioni di litio rispetto alla grafite, aumentando di conseguenza la capacità della cella. I difetti sono la bassa conduttività e le variazioni strutturali subite dai materiali che ne compromettono la funzionalità (il silicio per esempio subisce un incremento del volume del 300% causando la fratturazione del materiale attivo). Gli anodi di metallo offrono una capacità specifica teoretica dieci volte superiore agli anodi in grafite. Il litio metallico si caratterizza per prestazioni eccellenti e sembra essere il materiale anodico ideale per le LIB apportando un incremento della densità energetica del 50% e dell’energia specifica del 35%. Nonostante ciò, un breve ciclo di vita e i problemi relativi alla sicurezza prevengono i loro uso (la formazione di dendriti sulla superficie dell'anodo può causare cortocircuiti e incendi). Nonostante le complicazioni, la ricerca relativa al litio metallico prosegue, dato l'enorme potenziale del materiale.

[...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2405 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.