Sviluppo di batterie di nuova generazione: dove siamo e dove stiamo andando?
18 dicembre 2024
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, essenziali per la decarbonizzazione e la transizione energetica.
È emersa così la necessità di investire in ricerca ed innovazione con l’obiettivo di far evolvere le tecnologie esistenti, per soddisfare la domanda del mercato e le esigenze di settori sempre più diversificati che richiedono prestazioni sempre più elevate in termini di densità energetica e fast charging.
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 e rafforzando la resilienza della supply chain.
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, puntando alla sovranità tecnologica europea.
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, garantendo al tempo stesso un'elevata densità energetica.
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, in ottica di economia circolare e eco-design.
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 intrinseca (prevenzione del thermal runaway) 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, ideali per l'Energy Storage e l'industrializzazione di massa.
L'adozione della chimica LFP è ormai lo standard consolidato nel settore automotive, specialmente per il segmento Mass Market. Oltre alla sicurezza intrinseca, il vantaggio competitivo risiede nell'ottimizzazione del costo al kWh. Se Tesla e BYD hanno fatto da apripista, oggi giganti come Ford, Stellantis e Renault (tramite la divisione Ampere) utilizzano estensivamente celle LFP per rendere accessibile la mobilità elettrica su larga scala.
La chimica NMC (nichel-manganese-cobalto) si conferma lo standard di riferimento per il settore automotive ad alte prestazioni, grazie a un'eccellente densità energetica e alla capacità di garantire elevate potenze specifiche. Tuttavia, il rovescio della medaglia riguarda la cycle-life, sensibilmente inferiore rispetto alla tecnologia LFP (Litio-Ferro-Fosfato). Inoltre, la presenza di Cobalto solleva importanti questioni di sostenibilità e criticità nell'approvvigionamento delle materie prime critiche (Critical Raw Materials).
La ricerca in questo ambito si muove verso un orizzonte cobalt-free, ponendo grande attenzione nel ridurre la percentuale di questo componente critico e costoso. Il percorso evolutivo ha visto lo sviluppo iniziale delle NMC111 (in cui nichel, manganese e cobalto sono presenti in proporzioni uguali), passando per le NMC622, fino alle più recenti NMC811: queste ultime riducono significativamente la quantità di cobalto (al 10%), aumentando parallelamente la proporzione di nichel (all'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 puntano allo sviluppo di batterie di quarta generazione basate su elettroliti solidi — con o senza anodo di litio metallico — considerate dall'industria la chiave di volta per la piena affermazione del solid-state.
Un notevole passo avanti potrebbe arrivare dall'adozione della cosiddetta Silicon Anode Technology. Mentre le batterie attuali si basano su anodi in grafite, i prossimi passi della ricerca puntano a combinare questo materiale con una percentuale di silicio per incrementare la capacità.
Le batterie allo stato solido con litio metallico avrebbero infatti il potenziale per raggiungere una densità energetica due volte superiore a quelle attuali, superando i limiti delle tecnologie liquide.
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’avvento della Lithium-Air Technology. Questa soluzione chimica sfrutta la reazione tra il litio metallico e l’ossigeno presente nell’aria: un approccio che potrebbe portare a un aumento drastico della densità energetica e delle performance. 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 (Energy Storage Systems) 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.
“Per facilitare lo sviluppo di batterie europee di nuova generazione, sarà sempre più fondamentale per l’Europa investire in tecnologie all’avanguardia che permettano di simulare il comportamento delle batterie e di effettuare analisi predittive, come lo sviluppo di gemelli digitali (digital twin).
L’integrazione di funzionalità intelligenti e BMS (Battery Management System) evoluti per monitorare continuamente lo stato di salute e sicurezza ed effettuare manutenzione predittiva sarà sempre più centrale per poter sviluppare batterie più efficienti, durature e sicure. Il riciclo può trasformarsi in un vantaggio competitivo, riducendo la dipendenza da materie prime importate e contribuendo a una maggiore sostenibilità del settore.”
