Sviluppo di batterie di nuova generazione: dove siamo e dove stiamo andando?

Immagine tratta dal white paper Eurobat 2030 Battery Innovation Map

Ad oltre trent’anni dalla loro invenzione e successiva commercializzazione, è sempre più evidente come le batterie al litio abbiano trasformato il presente della mobilità e come siano chiamate a rivoluzionarne il futuro. L’ambizioso obiettivo europeo di una società a neutralità climatica fissata dal Green Deal si propone, infatti, la graduale elettrificazione di settori oggi dipendenti dai combustibili fossili e vede nelle batterie i principali alleati in questa missione.

È emersa così la necessità di investire in ricerca ed innovazione con l’obiettivo di evolvere le tecnologie attuali già esistenti, per soddisfare la domanda del mercato e le esigenze di settori sempre più diversificati.

Queste nuove evoluzioni, non si propongono come sostitute delle attuali tecnologie esistenti, ma anzi ne amplieranno le possibilità. Espandere il panorama tecnologico permetterà infatti a queste innovazioni di poter esprimere il loro potenziale in ambiti applicativi differenti, facilitando inoltre la diversificazione della fornitura di materie prime.

La nascita di roadmap europee per tracciare il futuro delle batterie in Europa

Come in ogni grande progetto, è necessario avere una linea guida che delinei chiaramente il percorso e ne tracci gli obiettivi.

A livello europeo, esistono diverse Battery Roadmap, come Battery 2030+ o Eurobat, nate con l’intento di orientare i prossimi passi in termini di ricerca e innovazione di nuove chimiche e materiali più sostenibili ed efficienti per le celle delle batterie. Questi progetti collaborativi svolgono un ruolo centrale per rafforzare la posizione dell’Europa sul mercato attraverso l’implementazione di azioni di ricerca per trasformare il modo in cui sviluppiamo e progettiamo batterie ad altissime prestazioni, sicure, sostenibili e accessibili per l’uso in applicazioni reali.

L’Europa, infatti, si trova ancora in una posizione di svantaggio rispetto ai paesi asiatici in questo settore, e se vuole competere a livello globale deve colmare l’attuale divario tecnologico. Come avvenuto nel recente passato, le interruzioni delle catene di approvvigionamento, l’aumento dei costi delle materie prime e la necessità per l’Europa di assicurarsi materie prime critiche hanno infatti evidenziato l’importanza di diversificare lo sviluppo di tecnologie avanzate per casi d’uso specifici.

Gli obiettivi della roadmap europea Battery 2030+

Alta densità energetica, maggiore sicurezza e crescente sostenibilità. Questi gli obiettivi delle batterie del futuro

Le prerogative a cui le batterie del futuro dovranno rispondere sono chiare e vedono come principali obiettivi la massimizzazione delle prestazioni delle batterie, puntando al contempo a una riduzione dei costi e ad un alto livello di sicurezza.

Accanto alla ricerca di una maggiore densità energetica, economicità e longevità, la sostenibilità è un elemento di fondamentale importanza. L’obiettivo è quello di garantire che i materiali selezionati non solo soddisfino le prestazioni immediate, ma anche che siano in linea con gli obiettivi di sostenibilità a lungo termine riducendo al minimo qualsiasi potenziale problema ambientale o di riciclaggio che possa sorgere man mano che questi materiali verranno adottati dal mercato.

L’obiettivo di questa azione è quello di sviluppare diverse chimiche con chiare prospettive di fattibilità per la scalabilità dei processi produttivi. A questo proposito, il TRL (Technology Readiness Level) è un indicatore cruciale per comprendere quanto una tecnologia sia vicina alla mass production. Si tratta infatti di una metodologia di valutazione che indica lo stato di evoluzione e maturità di una tecnologia, ovvero quanto essa sia pronta per essere commercializzata. Mentre tecnologie con TRL elevato, come LiFePO4 (LFP) e NMC, sono già ben integrate nei processi industriali, quelle con TRL più basso sono ancora in fase di ricerca e sviluppo.

Lo stato dell’arte delle batterie di oggi: quale generazione stiamo vivendo?

Attualmente ci troviamo all’interno della generazione 3 delle tecnologie per batterie, più precisamente in quella che viene definita generazione 3a ma, sebbene esistano sul mercato sistemi di batterie che soddisfano la definizione di “Generazione 3”, le loro prestazioni non sono all’altezza di quelle previste per il 2030.

L’industria si sta concentrando principalmente sull’ottimizzazione industriale delle attuali chimiche NMC e LFP, mirando a bilanciare densità energetica, costi e sostenibilità. La riduzione del contenuto di cobalto, l’uso di anodi in silicio e la riduzione di materiali critici sono al centro di questi sviluppi. In parallelo, l’attenzione si sta spostando verso la prossima generazione di batterie, che promette un compromesso migliore tra prestazioni elevate, sicurezza e ridotto impatto ambientale.

La generazione 3b, inizialmente considerata come il prossimo passo evolutivo per migliorare ulteriormente la densità energetica, risulta ancora in fase embrionale e non ancora pronta per essere implementata, considerando anche il rapporto in termini di costo, prestazioni e sforzo produttivo richiesto per sviluppare i campioni.

Le due chimiche su cui il mercato si sta concentrando oggi: LiFePO4 e NMC

Sono principalmente due le tecnologie chiave su cui, ad oggi, si concentra la produzione delle celle, soprattutto nel mercato di massa: LiFePO4 (LFP), e NMC, ognuna delle quali risponde a specifiche esigenze applicative.

La chimica LiFePO4 (LFP, litio-ferro-fosfato) sta guadagnando una quota crescente di mercato grazie alle sue caratteristiche di sicurezza, sostenibilità e lunghi cicli di vita, che le rende una scelta popolare per applicazioni che richiedono un buon bilancio tra costi e performance.

L’impiego delle LFP si sta evolvendo sempre di più anche in ambito automotive, settore che vede sempre più questa chimica come una tecnologia consolidata per i veicoli, a causa dei vantaggi in termini di alta sicurezza e di costi inferiori della materia prima. Per citare alcuni nomi noti, Tesla e BYD hanno già integrato batterie LFP all’interno della propria gamma mentre produttori come Ford e Renault hanno annunciato che ne avvieranno l’utilizzo a breve.

La chimica NMC (nichel-manganese-cobalto) rimane una delle scelte principali per quanto riguarda il mondo automotive ad alte prestazioni, grazie alla sua elevata densità energetica e alla capacità di erogare molta potenza. Di contro, queste batterie hanno un ciclo di vita più breve rispetto alle LFP e un impatto ambientale maggiore, dovuto alla presenza di cobalto.

La ricerca in questo ambito ha posto grande attenzione nel ridurre la percentuale di questo componente critico e costoso sviluppando prima le NMC111, in cui nichel, manganese e cobalto sono presenti in proporzioni uguali, fino alle più recenti NMC622 (60% nickel, 20% manganese e 20% cobalto) e NMC811, che riducono significativamente la quantità di cobalto (10%), aumentando la proporzione di nichel (80%).

Prospettive future: le evoluzioni delle chimiche a base di litio

Le chimiche a base litio hanno davanti a sé una chiara roadmap evolutiva che prospetta una serie di obiettivi ambiziosi e sviluppi tecnologici significativi, rendendole una delle risorse chiave su cui tenere gli occhi puntati per il futuro. Questa chimica continuerà infatti a  rappresentare una delle tecnologie fondamentali per lo sviluppo di nuove applicazioni, grazie alla sua versatilità e alle prestazioni avanzate.

Focus della ricerca su elettroliti solidi e anodi in silicio

Diversi progetti collaborativi europei mirano inoltre a sviluppare batterie agli ioni di litio di quarta generazione con elettroliti solidi, con o senza anodo di litio metallico, come candidati a lungo termine dell’industria.

Un notevole passo avanti potrebbe essere inoltre da ritrovare nell’introduzione di anodi in silicio. Se le attuali batterie al litio sul mercato sono infatti principalmente composte da anodi in grafite, i prossimi passi nella ricerca sono mirati a combinare il tradizionale anodo in grafite con una percentuale di silicio.

Le batterie allo stato solido con litio metallico avrebbero infatti il potenziale per raggiungere una densità energetica due volte superiore a quelle attuali.

Inoltre, gli ultimi studi a livello industriale hanno dimostrato che la chimica LMFP (litio-manganese-ferro-fosfato) potrebbe avere risultati promettenti. Si tratta di una variante della chimica LFP in cui la concentrazione di manganese nel materiale catodico raggiunge l’80%, rispetto ai tradizionali valori compresi tra il 50% e il 70%.

Questa nuova configurazione mantiene il livello di sicurezza distintivo delle batterie LFP, con con un incremento stimato del 20% nell’autonomia.

Chimiche post litio-ioni: tecnologie vantaggiose ma che richiedono tempo e studio

Se le batterie al litio-ioni rappresentano oggi una tecnologia consolidata, la ricerca sta già guardando oltre, sviluppando soluzioni innovative che superano i limiti attuali. Si parla infatti di chimiche definite post-litio ioni, che, pur essendo già esistenti, non sono ancora diffuse su larga scala a livello produttivo.

Tra queste, le batterie al litio allo stato solido (Li-ASSB) con anodo in litio metallico, da non confondere con le batterie allo stato solido (citate nel paragrafo seguente), promettono significativi vantaggi in termini di efficienza e sicurezza. Sebbene non ancora pienamente adottate per la trazione, queste soluzioni trovano già applicazione in dispositivi come smartphone e droni.

Guardando ancora più avanti nel tempo, le roadmap tecnologiche prevedono l’introduzione della chimica litio-aria, una soluzione che sfrutterebbe la reazione tra il litio metallico e l’ossigeno presente nell’aria.  Questo approccio potrebbe portare a un aumento significativo della densità energetica e delle performance delle batterie. Tuttavia, ad oggi, si tratta ancora di una prospettiva distante, che necessita di ulteriori studi e sperimentazioni prima di poter diventare una realtà concreta

Sodio: una valida alternativa per applicazioni che non richiedono elevate prestazioni

Attese sul mercato dopo il 2025, le batterie al sodio , sebbene non possano competere con le prestazioni del litio in termini di potenza e densità energetica, potrebbero comunque rappresentare un’alternativa potenzialmente più economica rispetto al litio, pur non potendo eguagliarne le prestazioni in termini di densità energetica.

Se, con lo sviluppo della ricerca, le celle al sodio diventassero competitive anche sul fronte della durata dei cicli di vita, i costi ridotti e la ridotta densità energetica le renderebbero una tecnologia indicata per utilizzi come soluzioni stazionarie o veicoli elettrici entry-level con autonomie limitate.

Tuttavia, ad oggi, la densità volumetrica si attesta a circa la metà di quella offerta dalla chimica LFP e, non essendo ancora nella fase di produzione su larga scala, i costi attuali delle batterie al sodio superano ancora quelli delle batterie LFP, rendendo difficile al momento una competitività economica concreta.

Stato solido: prospettive di maggiore sicurezza

Quando si parla della quarta generazione di celle, le batterie allo stato solido emergono come principali protagoniste, suscitando sempre maggior interesse.

La loro innovazione più significativa consiste nella sostituzione dell’elettrolita liquido con un separatore solido. Rimuovere l’elettrolita liquido significherebbe infatti non solo migliorare la sicurezza – eliminando quasi del tutto il rischio di incendi.

Questa tecnologia, combinata con l’utilizzo di anodi in litio puro, offre un enorme potenziale per aumentare significativamente la densità energetica, sebbene al momento questa configurazione presenti alcune sfide. In questa direzione, le batterie allo stato solido con anodi in litio sono attualmente al centro di numerosi studi e sviluppi tecnologici.

Creare le batterie di nuova generazione: un’opportunità Europea

La progettazione di celle di nuova generazione non incide soltanto sulle caratteristiche delle batterie stesse, ma ha un effetto a catena su tutta la filiera, dall’estrazione delle materie prime fino alla fase di riciclo. Un incremento delle prestazioni e della densità energetica a livello di cella può, infatti, migliorare significativamente l’efficienza complessiva del settore, garantendo al contempo la leadership tecnologica europea a livello globale.

L’Europa potrebbe avere il potenziale per recuperare terreno nello sviluppo delle competenze nel settore delle batterie, ma è necessario un cambio di passo per competere con gli attori asiatici, che grazie a volumi di produzione nettamente superiori e investimenti significativi in innovazione, stanno spingendo i confini non solo della tecnologia, ma anche dei processi industriali legati alle batterie. Attualmente, le sfide europee sono evidenti: i recenti sviluppi sulle gigafactory delle batterie mostrano che l’ecosistema industriale non è ancora pronto per competere ad armi pari con i colossi asiatici.

Tuttavia, l’Europa potrebbe emergere come leader nel riciclo delle batterie. Questo settore rappresenta un’opportunità strategica, grazie a una solida comunità di ricerca e innovazione che sta già dimostrando di essere in grado di sviluppare tecnologie avanzate per il recupero di materiali critici.