La storia segreta delle batterie per veicoli elettrici: demistificazione delle sostanze chimiche NCM, NCA, LFP e dello stato solido

Il motivo principale per cui i veicoli elettrici non si sono fatti carico completamente del carico di trasporto è il livello tecnologico delle loro batterie ad alto voltaggio. Anche se negli ultimi dieci anni sono stati fatti enormi progressi in questo campo, il contenuto energetico delle batterie non si avvicina minimamente al contenuto energetico dei combustibili liquidi. Il Santo Graal della ricerca automobilistica è una batteria con una densità di energia significativamente più elevata di quella attualmente disponibile. Quindi abbiamo deciso di fare una revisione delle attuali e delle promettenti tecnologie delle batterie future e tenerti aggiornato.

Tecnologie attualmente in uso

Ioni di litio - Catodo NCM e NCA

Le batterie agli ioni di litio risalgono a circa 30 anni fa, quando Sony le introdusse in un dispositivo commerciale: la videocamera Sony CCD-TR1. Come funziona una batteria agli ioni di litio? In poche parole, gli ioni di litio viaggiano avanti e indietro dall'anodo al catodo. Durante la scarica l'anodo invia ioni di litio al catodo. Gli ioni di litio viaggiano attraverso gli elettroliti liquidi mentre gli elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno e si ricombinano nel catodo della cella. Durante la ricarica avviene il contrario.

Al giorno d'oggi, i tipi di batterie agli ioni di litio NCM e NCA ad alta tensione vengono utilizzati quasi esclusivamente nei veicoli elettrici. N sta per nichel, C per cobalto, M per manganese e A per alluminio. A seconda della percentuale di questi materiali nel catodo della batteria si ottengono caratteristiche diverse. Ad esempio una batteria NCM 712 significa che è composta per il 70% da Nichel, 10% Cobalto e 20% Manganese. In generale, maggiore è la percentuale di nichel nella batteria, maggiore è la densità di energia che la batteria può fornire, con un profondo effetto positivo sul peso e sulle dimensioni del pacco batteria.

A causa della scarsità di cobalto nella crosta terrestre e della sua discutibile etica mineraria (lavoro minorile), i produttori di batterie cercano di utilizzare prodotti chimici con una percentuale inferiore di materiale o di escluderlo completamente. La combinazione di catodo ad alto contenuto di nichel, disposizione cella-pacco e silicio nell'anodo può portare la sua densità di energia fino a 325 Wh/kg. Potremmo dire che questo tipo di batteria è vicino ai suoi limiti tecnologici.

Ioni di litio - catodo LFP

Un'altra alternativa per il catodo delle batterie agli ioni di litio è l'utilizzo di litio ferro fosfato. Sebbene le prestazioni di questo tipo di batteria siano generalmente inferiori rispetto al tipo NMC, alcuni produttori la preferiscono per la maggiore durata e per i materiali più economici e comuni utilizzati. La densità di energia specifica è qui inferiore a causa di due fattori principali.

In primo luogo, perché la tensione massima è inferiore, ciò significa che per la stessa capacità otteniamo meno kWh e in secondo luogo, perché gli ioni di litio si muovono in una dimensione spaziale (invece di due nelle batterie NMC). Il fatto che gli ioni di litio si muovano in una sola dimensione spaziale fa sì che anche la potenza massima di scarica della batteria sia inferiore, per questo motivo questo tipo di batteria non è considerata adatta per applicazioni ad alte prestazioni.

Questo è il motivo per cui Tesla utilizza questo tipo di chimica della batteria solo per la versione base del Modello 3. Questo tipo di batteria presenta però due vantaggi principali. La sua longevità è considerata superiore rispetto ad altri tipi di batterie agli ioni di litio e non solo non presenta problemi quando la carica al 100%, ma in realtà è una forte raccomandazione per queste batterie.

Possibili tecnologie future

Litio - Aria

Le batterie al litio-aria sono per lo più un progetto tecnologico al momento e in fase di ricerca, ma questo tipo di batteria sembra essere la più promettente di tutte e presenta una capacità energetica specifica simile ai combustibili liquidi con 11,4 kWh/kg. Il litio si trova nell'anodo mentre l'aria è nel catodo e questi due sono separati dall'elettrolita. Durante la scarica, gli ioni di litio dall'anodo viaggiano verso il catodo dove è presente l'aria e reagiscono con l'ossigeno.

Sfortunatamente, le alte temperature durante la ricarica impediscono una ricarica rapida della batteria mentre la formazione di dendriti durante il processo riduce notevolmente la durata della batteria, limitandone attualmente l'utilizzo all'ambiente di laboratorio. Se le sfide tecnologiche verranno superate e i costi saranno ragionevoli, i veicoli ICE diventeranno obsoleti da un giorno all’altro.

Solid State

È considerato il Santo Graal delle batterie per auto e attualmente tutti i giganti dell'industria automobilistica stanno portando avanti una vasta ricerca. Le attuali batterie agli ioni di litio convenzionali utilizzano elettroliti liquidi e un separatore per dividere l’anodo dal catodo. Nella batteria allo stato solido l'elettrolita liquido e il separatore sono sostituiti da un elettrolita solido.

I ricercatori stanno attualmente valutando una gamma di opzioni per l'elettrolita solido, comprese sostanze sia metalliche che ceramiche. Sebbene attualmente nessun veicolo elettrico utilizzi questa tecnologia delle batterie, si prevede che i primi modelli di produzione arriveranno sul mercato entro i prossimi due o tre anni. Si prevede che questa batteria offra una densità energetica specifica doppia rispetto a quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio con elettroliti liquidi, pur mantenendo una durata di vita di 1.000 cicli, sebbene queste stime potrebbero potenzialmente migliorare con il progredire dello sviluppo.