1. L'attuale regno delle batterie al litio
Attualmente, le batterie agli ioni di litio- (LIB) sono la tecnologia dominante utilizzata nello stoccaggio dell'energia ricaricabile, rappresentando circa il 70% della quota di mercato globale delle tecnologie dei dispositivi ricaricabili. I vantaggi delle LIB includono quanto segue:
L'elevata densità di energia del litio:La leggerezza e l'elevato potenziale elettrochimico del litio consentono lo sviluppo di batterie ed elementi elettronici per veicoli elettrici più piccoli e di maggiore durata-.
Costo-Efficacia attraverso la scalabilità:Grazie a decenni di esperienza nella produzione, le LIB sono diventate fondamentalmente più economiche da produrre in grandi volumi rispetto alla maggior parte delle altre tecnologie, consentendo alle LIB di essere -competitive in termini di costi nei prodotti di consumo di fascia media-di tutti i giorni.
Infrastruttura consolidata (a livello mondiale) per le LIB:Nel corso di diversi decenni si sono sviluppate estese reti di supporto per le LIB, comprese le stazioni di ricarica per veicoli elettrici e i sistemi di stoccaggio dell'energia-su scala industriale.
Nonostante la loro attuale posizione dominante in questo settore, esistono diverse vulnerabilità per quanto riguarda la tecnologia LIB. Esistono serie preoccupazioni riguardo agli impatti negativi dell’estrazione del litio sull’ambiente, all’esaurimento delle preziose risorse idriche e alla concentrazione di litio. La Cina attualmente controlla oltre il 60% della capacità globale di raffinazione del litio, il che pone rischi alla catena di approvvigionamento per altri paesi.
2. Le sfide che spingono il litio verso l’obsolescenza
A. Considerazioni ambientali ed etiche
L’estrazione del litio ha un impatto ecologico immenso perché il metodo di estrazione del litio avviene attraverso l’estrazione profonda (questo avviene a profondità superiori a 1,5 km), che è raro, ma ha un’enorme impronta ecologica e utilizza una quantità eccessiva di acqua (fino a 1 milione di litri (quasi 500.000 galloni) per 1 tonnellata di litio prodotta). Poiché l'acqua è estremamente limitata nelle aree in cui viene estratto il litio (ad esempio nel deserto di Atacama nel Cile settentrionale), la necessità di più acqua crea una maggiore pressione sulla fornitura di acqua dolce disponibile.
B. Inconvenienti prestazionali
Sebbene le batterie agli ioni di litio siano la forma di batteria più efficiente in termini di densità energetica, presentano limitazioni specifiche:
1. Tempi di ricarica lunghi – La maggior parte della flotta di veicoli elettrici (EV) richiede una ricarica da 30 minuti a diverse ore per raggiungere la carica completa.
2. Clima freddo – Le prestazioni delle batterie agli ioni di litio diminuiscono del 60% sotto lo zero e pertanto i veicoli elettrici potrebbero avere un utilizzo ridotto nei climi freddi.
3. Sicurezza – La fuga termica può verificarsi a causa dell'elevata energia delle batterie agli ioni di litio, causando in genere incendi, esplosioni, ecc., sebbene questi eventi siano rari ma esistono nelle applicazioni ad alta energia.
C. Vulnerabilità geopolitiche
Come risultato della schiacciante capacità di produzione di batterie e di raffinazione del litio della Cina a livello mondiale, gli Stati Uniti, l’Unione Europea e altre potenze occidentali in misura minore stanno investendo in modo significativo nella produzione nazionale di batterie per ridurre la loro dipendenza dalla fornitura di batterie cinese.
3. Tecnologie emergenti che sfidano il dominio del litio
A. Batterie allo stato solido-
Le batterie basate sulla tecnologia allo stato solido-scambiano gli elettroliti allo stato solido-al posto degli elettroliti liquidi come avviene nelle tipiche batterie agli ioni di litio-. Pertanto, la tecnologia delle batterie allo stato solido-presenta numerosi vantaggi rispetto alla tecnologia delle batterie agli ioni di litio-, tra cui:
L'elenco seguente fornisce informazioni su alcuni dei principali motivi che guidano la transizione del mercato delle batterie per autoveicoli dalla tecnologia delle batterie allo stato liquido a quella a stato solido-. I seguenti punti indicano che la transizione alla tecnologia delle batterie-allo stato solido avverrà rapidamente nel settore automobilistico.
Sicurezza: sebbene le batterie ad elettrolita liquido presentino un rischio maggiore di incendio e di sostanze chimiche pericolose durante la produzione, non vengono prodotte sostanze chimiche potenzialmente pericolose derivanti dalla produzione delle batterie allo stato solido-.
Densità di energia: rispetto alla tecnologia esistente agli ioni di litio-, che può immagazzinare tra 250 e 300 Wh/kg di energia, una batteria allo stato solido- ha il potenziale per immagazzinare fino a 500 Wh/kg.
Tempo di ricarica: a differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, che in genere richiedono ore per caricarsi completamente, è stato riscontrato che le batterie sperimentali allo stato solido richiedono appena 15 minuti.
Cambiamento del mercato: come riportato dagli OEM, molti sono in procinto di sviluppare e produrre una batteria a stato solido-che sarà disponibile sul mercato entro i prossimi 5-7 anni (2027-2030).
B. Batterie agli ioni di sodio-
Le batterie agli-ioni di sodio (Na-ioni) e alle batterie agli-ioni di litio (Li-ioni) differiscono perché il sodio è più abbondante e meno costoso del litio. I vantaggi delle batterie agli ioni di sodio-rispetto alle batterie agli ioni di litio- includono:
1. Prezzo - Il costo di produzione delle batterie agli ioni di Na- è inferiore di circa il 70% rispetto a quello delle batterie agli ioni di Li-.
2. Eco-Rispettoso - La quantità di acqua necessaria per rimuovere il sodio è 682 volte inferiore a quella necessaria per rimuovere il litio.
3. Prestazioni alle basse temperature - Le batterie Na-ion possono funzionare a temperature estremamente basse fino a -30 gradi Celsius.
4. Mercato di riferimento - Aziende come Faradion e CATL hanno puntato sull'introduzione della tecnologia agli ioni di sodio- nei veicoli elettrici su più livelli e nello stoccaggio di energia su scala-di rete. Utilizzando la tecnologia delle batterie Na-ion, queste aziende si concentreranno sui clienti-sensibili ai costi.
C. Batterie potenziate al grafene-
Il grafene, costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, può migliorare le prestazioni della batteria nei seguenti modi:
Ricarica più rapida: i supercondensatori al grafene possono consentire la ricarica completa di uno smartphone o tablet in circa 15 secondi.
Cicli di utilizzo più elevati: a differenza delle batterie agli ioni di litio- che hanno un limite di 500-2.000 cicli, una batteria al grafene può raggiungere 10.000 cicli.
Resistenza alle basse temperature Le batterie al grafene continueranno a funzionare bene a temperature estremamente basse da -40 a 80 gradi Celsius.
Entro il 2030, le batterie al grafene, attualmente in fase di test sperimentale, potrebbero trasformare completamente le opzioni di stoccaggio dell’energia per le fonti energetiche rinnovabili e le auto elettriche.
4. Le batterie al litio sopravvivranno? Uno scenario di convivenza
A causa della fase sperimentale, le batterie al grafene potrebbero consentire un drastico spostamento verso nuove forme di stoccaggio dell’energia nelle energie rinnovabili e nei veicoli elettrici entro il 2030. Anche con le previsioni apocalittiche che circondano le batterie al litio, la loro estinzione sembra altamente improbabile, con previsioni che propendono per la coesistenza delle loro tecnologie con nuove innovazioni.
Alcuni mercati di nicchia dipenderanno ancora fortemente dalle batterie agli ioni di litio- per la loro elevata densità di energia, come l'aviazione e l'aerospaziale con il nuovo decollo e atterraggio verticale elettrico (eVTOL). Inoltre, utilizzando sistemi ibridi o combinazioni ibride di litio con batterie allo-stato solido o agli ioni di sodio-, la combinazione della chimica fornirebbe numerosi vantaggi, tra cui costi, sicurezza, prestazioni migliorati, ecc. Ad esempio, i futuri veicoli elettrici BMW utilizzeranno probabilmente celle allo-stato solido e agli ioni di-litio in combinazione come mezzo per sfruttare i rispettivi vantaggi di ciascuna tecnologia.
Inoltre, le innovazioni nel riciclaggio delle celle al litio, incluso il piano della Cina di riciclare 1,2 milioni di tonnellate entro il 2025, miglioreranno la durata delle celle al litio, grazie anche al risparmio di costi ed energia derivante da una minore attività di estrazione.
5. La strada da percorrere: bilanciare innovazione e praticità
L'evoluzione verso un sistema "post-batteria al litio" dipende da tre fattori principali:
1. Competitività in termini di costi: affinché le batterie allo stato solido e le batterie agli ioni di sodio e agli ioni di sodio possano guadagnare quote di mercato significative, devono raggiungere l'equivalente di 100 dollari per kWh affinché i prezzi diventino paragonabili a quelli delle batterie agli ioni di litio.
2. Scalabilità: gli impianti di produzione-allo stato solido come la linea CATL da 20 GWh devono essere in grado di passare dall'impianto pilota alla produzione di massa (obiettivo 2027).
3. Sostegno politico: è necessario attuare politiche governative per incoraggiare e incentivare la ricerca e lo sviluppo e le infrastrutture di riciclaggio in grado di ridurre o eliminare il rischio della catena di approvvigionamento associato al litio.
Conclusione
