Le Batterie del Futuro – Come Queste 9 Innovazioni Trasformeranno l’Elettromobilità?

Nonostante le limitazioni che i produttori di batterie al litio-ion stanno gradualmente, seppur lentamente, superando, l’elettromobilità sta guadagnando popolarità ed è difficile immaginare un’inversione di questa tendenza. Inoltre, ora abbiamo bisogno di celle efficienti ed economiche non solo nei veicoli elettrici e negli scooter o veicoli elettrici (EV), ma anche nelle installazioni di energia rinnovabile domestiche. La tecnologia al litio-ion moderna sembra stia raggiungendo la sua massima densità energetica. Tuttavia, non c’è motivo di preoccuparsi perché tra un anno o due, le celle al litio-ion saranno integrate da altre tecnologie le cui capacità oggi sembrano quasi irreali. Scoprite le più grandi innovazioni nell’industria delle celle elettriche.

Le Batterie a Stato Solido Rivoluzioneranno il Mondo

Da anni gli appassionati di elettromobilità sono entusiasti della tecnologia delle batterie a stato solido (All Solid-State Battery, ASSB), che offre un’alta densità energetica. Inoltre, nel 2022, una startup della Silicon Valley chiamata Quantum Scape ha sviluppato una batteria a stato solido che si carica fino all’80% in soli 15 minuti e consente a un veicolo elettrico (EV) di percorrere 640 km con una sola carica. Questa cella utilizza un materiale ceramico dedicato la cui composizione è segreta. Un semiconduttore è posto tra l’anodo e il catodo, sostituendo l’elettrolita liquido, e la sua struttura consente agli ioni di fluire senza causare cortocircuiti. La tecnologia è promettente, ma dovremo attendere almeno fino al 2025 per sfruttarne appieno il potenziale nei veicoli elettrici.

Nissan e Toyota stanno anche lavorando su batterie a semiconduttore, con Toyota che ha annunciato l’installazione di celle a stato solido nei suoi veicoli già dal 2026 come parte del suo programma di ricerca da 13,6 miliardi di dollari.

È difficile stupirsi guardando le capacità delle batterie a semiconduttore, che offrono una densità energetica volumetrica fino a 1000 watt-ora per litro (le migliori celle al litio-ion raggiungono 600 watt-ora per litro). Tuttavia, ciò che è più importante è la densità gravimetrica, che è di circa 250 Wh/kg nelle batterie NCM e più del doppio nelle batterie SSB. Con le celle a stato solido, l’autonomia di un EV sarebbe paragonabile a quella di un’auto a motore a combustione interna.

Inoltre, le batterie a semiconduttore non hanno un elettrolita liquido, che è semplicemente un solvente organico, un idrocarburo che si infiamma rapidamente in caso di incendio. Tuttavia, le batterie a stato solido dispongono anche di sistemi di monitoraggio della temperatura per prevenire il surriscaldamento e la degradazione delle celle. Le batterie ASSB sono anche meno soggette alla formazione di dendriti, che, dopo molti cicli di carica di una normale batteria al litio-ion, causano perdita di potenza, cortocircuiti e, di conseguenza, incendi.

Le dendriti sono strutture a forma di ago che si formano all’interno delle celle Li-ion sull’anodo. Essi originano dai cristalli di litio che precipitano nell’elettrolita liquido. L’uso di strati conduttori a semiconduttore, che bloccano il movimento degli elettroni consentendo il passaggio degli ioni di litio grazie alla cosiddetta barriera di Schottky, impedisce l’accumulo di cristalli di litio, evitando così la formazione di dendriti.

Purtroppo, le celle a semiconduttore sono soggette a un aumento della pressione interna durante il funzionamento, il che complicherà la loro costruzione e ridurrà il costo di tali batterie a “soli” 65 dollari per kWh rispetto a circa 150 dollari per kWh delle normali batterie al litio-ion (prezzi del 2023).

Le Celle a Base di Silicio Dovranno Essere Spremute con Forza

Diverse altre startup, comprese quelle nella Silicon Valley, stanno lavorando all’utilizzo del silicio invece del grafite negli anodi delle batterie, il che fornirebbe prestazioni ancora migliori rispetto alla tecnologia a stato solido. Le batterie al silicio sono impressionanti perché possono caricarsi fino all’80% in poco più di 5 minuti e raggiungere una carica del 98% in meno di 10 minuti. Inoltre, dopo 1000 cicli, la loro efficienza rimane al 93%. Il problema delle batterie al silicio è che durante il funzionamento espandono il loro volume di tre volte. Pertanto, i modelli di test hanno speciali strutture in acciaio inossidabile per limitare l’espansione a non più del 2% del volume dopo 500 cicli. Sembra che questa soluzione sia sufficiente, dato che Porsche ha annunciato l’uso di batterie al silicio a partire dal 2024, e Mercedes-Benz ha pianificato di installare queste celle nei modelli di lusso a partire dal 2025.

Batterie Strutturali: Parte Integrante del Corpo o dell’Ala dell’Aereo

Un’ulteriore evoluzione delle celle al silicio sono le cosiddette “batterie strutturali”. In questo caso, il silicio viene incorporato direttamente in componenti come il telaio dell’auto o l’ala dell’aereo. Ciò non solo risparmia spazio, ma offre anche la possibilità di caricare il veicolo da qualsiasi presa elettrica domestica. Dopotutto, quando il telaio è fatto di un materiale conduttore, è possibile utilizzarlo come elettrodo. Una startup chiamata ‘Energous’ sta lavorando su questa tecnologia e ha annunciato che le prime batterie strutturali potrebbero essere utilizzate nei primi modelli di veicoli elettrici già entro il 2024.

La maggior parte delle batterie è molto pesante. Inoltre, i modelli più grandi delle batterie attuali occupano molto spazio, il che rappresenta un problema nelle automobili, dove lo spazio è prezioso. Ma cosa succederebbe se i componenti di una macchina fossero parte integrante della struttura? Semplice, le auto sarebbero leggere ed economiche. Inoltre, sarebbe possibile ricaricare il veicolo da una normale presa elettrica. Ecco dove entrano in gioco le batterie strutturali.

Queste batterie innovatrici trasformerebbero ogni elemento strutturale di un veicolo in un potenziale accumulatore di energia. Dopotutto, un’ala di aeroplano è molto più grande rispetto a qualsiasi veicolo elettrico, quindi è possibile ottenere una maggiore capacità di accumulo. Quindi, quando si parcheggia l’auto in un garage o si lascia l’aereo in un hangar, basta collegarli a una presa elettrica, e ciò è sufficiente per ricaricarli.

Batterie al Potassio: Una Alternativa al Litio?

Le batterie al potassio sono un’altra alternativa interessante alle batterie al litio. Utilizzano il potassio, un elemento molto comune ed economico, come il loro componente principale. Un vantaggio significativo delle batterie al potassio è che il potassio può essere estratto in modo sostenibile da giacimenti di salgemma sotterranei e abbondanti. Queste batterie promettono di essere più economiche rispetto alle batterie al litio attualmente in uso. Inoltre, hanno un potenziale per una densità energetica elevata. I primi modelli di batterie al potassio potrebbero essere utilizzati nei primi modelli di veicoli elettrici già quest’anno. Si stima che rivoluzioneranno l’industria dei veicoli elettrici.

Batterie al Fluoro: Autonomia di 8000 km e Mesi senza Ricaricare lo Smartphone

Il litio può essere sostituito anche con il molto più economico fluoro, che potrebbe immagazzinare fino a 10 volte più energia rispetto alle contemporanee batterie al litio. Si stima che le batterie al fluoro (FIB) possano fornire ai veicoli elettrici un’autonomia di fino a 8.000 km con una sola carica e agli smartphone che non richiedono ricarica per oltre un mese. Tuttavia, al momento conosciamo solo pochi materiali capaci di condurre ioni di fluoro, anche se sono in corso intense ricerche per scoprirne (lo ZnTiF6 mostra promesse).

Batterie al Zinc e Alluminio-Solfuro

Un’altra alternativa al litio è il zinc. Il problema delle batterie al zinc è la formazione di cortocircuiti interni che possono causare incendi, causati da dendriti, già conosciuti. Si prevede che una composizione chimica speciale dell’elettrolita ridurrà la formazione di dendriti. L’uso di etilenglicole e tetrafluoroborato di zinco ha prodotto un elettrolita non infiammabile che mantiene l’efficienza a temperature comprese tra -30°C e 40°C.

Inoltre, le batterie alluminio-solfuro potrebbero servire come alternativa alle celle al litio. Queste batterie utilizzano materiali economici e campioni di prova si caricano a piena capacità in meno di un minuto. Sfortunatamente, per una piena efficienza, devono essere mantenute a una temperatura di fino a 110°C. Tuttavia, durante il funzionamento, rilasciano calore che può essere utilizzato per il riscaldamento. Inoltre, teoricamente, le batterie alluminio-solfuro possono raggiungere una densità energetica vicina a 1400 Wh/kg, cinque volte superiore rispetto alle batterie al litio-ion più efficienti. Quindi, una batteria Tesla Model 3 con tecnologia alluminio-solfuro peserebbe solo 96 kg invece di 480 kg.

Batterie al Carbonio-Ossigeno: Houston, Abbiamo un Problema?

C’è anche l’interessante utilizzo della tecnologia delle celle al carbonio-ossigeno. La NASA l’ha progettata per convertire l’atmosfera ricca di CO2 di Marte in aria ricca di ossigeno. Quando viene applicata una tensione, la cella al carbonio-ossigeno divide il biossido di carbonio in ossigeno e monossido di carbonio, generando corrente nel processo. Tali celle dovrebbero costare solo 15 dollari per kWh e offrire una densità di 740 Wh/l (a titolo di confronto, una batteria Tesla Model 3 LR costa circa 151 dollari per kWh con una densità di 247 Wh/). Questo le rende tre volte più piccole rispetto alle celle Li-ion comparabili.

Tuttavia, le batterie al carbonio-ossigeno possono mantenere una carica solo per circa 100 ore. Dopo questo periodo, il monossido di carbonio e l’ossigeno iniziano a reagire tra loro, causando la scarica della batteria. Pertanto, questa tecnologia non troverà applicazione nei veicoli elettrici, ma potrebbe essere utilizzata per alimentare l’equipaggiamento portatile.

Batterie al Grafene: Tutto è Meglio con il Grafene?

Infine, il grafene, il materiale miracoloso delle batterie. È estremamente leggero, ha una densità energetica elevata e può essere utilizzato a temperature estremamente basse. Inoltre, il grafene è quasi infinitamente riciclabile e non contiene materiali tossici. Tuttavia, la produzione di grafene è costosa e complessa, il che rende le batterie al grafene costose. Tuttavia, questa tecnologia sta avanzando rapidamente e potrebbe diventare competitiva nei prossimi anni.

I produttori di batterie stanno lavorando duramente per portare sul mercato le innovazioni più recenti. Inoltre, le istituzioni di ricerca stanno cercando di scoprire nuovi materiali e design che migliorino ulteriormente le batterie. Indipendentemente dalla tecnologia che prevarrà alla fine, una cosa è certa: le batterie del futuro saranno più efficienti, più sicure e più convenienti, aprendo la strada a una diffusione ancora più ampia dei veicoli elettrici e dell’energia rinnovabile.