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Non solo litio

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La rapida e continua crescita delle prestazioni, anche economiche, delle batterie a ioni di litio non esaurisce le potenzialità degli accumuli elettrochimici. Grazie in particolare all’applicazione delle nanotecnologie, sono in fase avanzata di sviluppo soluzioni alternative che, sostituendo il litio con materiali meno rari e più a buon mercato, possono ridurre ulteriormente i costi e, in alcuni casi, migliorare alcune prestazioni

Dopo un periodo caratterizzato sostanzialmente da miglioramenti di prodotti già in commercio, lo sviluppo di accumuli elettrochimici innovativi fu sollecitato dalla domanda di prestazioni più avanzate (densità energetica, durata) da parte prima dei PC portatili, poi dei cellulari; domanda che ha trovato risposte tecnicamente adeguate grazie alla contemporanea disponibilità di nuove conoscenze scientifiche e tecnologiche.

Batteria a ioni di alluminio
Batteria a ioni di alluminio

L’applicazione delle nanotecnologie, che rendono possibile la manipolazione della materia su scala inferiore al miliardesimo di metro, cioè a livello atomico e molecolare, ha consentito un salto prestazionale in termini sia di potenze raggiungibili, sia di capacità di accumulo, trasformando in nanomateriali con caratteristiche adeguate materiali prima considerati inutilizzabili per la loro ridotta conducibilità o capacità.

A conferma delle potenzialità degli accumuli elettrochimici, nel 2015 un team di chimici dell’Università di Stanford ha sviluppato un nuovo tipo di batteria, agli ioni di alluminio, dalle notevoli caratteristiche: basso costo, ciclo di vita lungo rispetto alle attuali batterie e ricarica rapidissima, senza rischi di incendi. Nella batteria l’alluminio va a formare l’anodo, ovvero il polo negativo, ma la vera novità sta nel catodo (il polo positivo): i chimici californiani hanno scoperto che un foglio di grafite come catodo, oltre che economico, gestisce al meglio il flusso di elettroni.

ricariche auto elettriche

Appena due anni dopo, in un convegno londinese, il Technology Research Institute di Taiwan ha reso noto che, in collaborazione con Stanford, ha messo a punto una batteria a ioni di alluminio con prestazioni e costi tali da renderla già pronta per la produzione commerciale. La batteria ha un ciclo di vita molto lungo (10.000 ricariche fino alla perdita totale di capacità), un salto enorme rispetto alla media di 1.000 ricariche in quelle attuali agli ioni di litio, una ricarica rapidissima (si parla di pochi minuti) e non è a rischio d’incendi. Sempre secondo l’istituto di Taiwan, entro il 2020 sarà più conveniente delle batterie al piombo.

Un’altra tecnologia – batterie allo stato solido – è stata riscoperta dalla Toyota, che intende utilizzarla per auto a trazione elettrica.

Una terza innovazione riguarda le batterie a «flusso», i cui componenti sono sostanzialmente due serbatoi, che contengono un liquido nel quale è presente l’elettrolita, e una cella elettrochimica. Si definisce a «flusso» perché due pompe, alimentate dalla batteria stessa, fanno circolare l’elettrolita, che nelle batterie in commercio è a base di vanadio, portandolo dai serbatoi alla cella, dove avviene il processo chimico: il flusso è continuo, fino ad esaurimento della carica e alla successiva ricarica. Più grandi sono i serbatoi e maggiore è la capacità di immagazzinamento. Nel 2015 un team di ricercatori di Harvard ha realizzato una batteria a «flusso», in cui l’elettrolita è a base di chinone, una molecola prodotta dalle piante durante la fotosintesi, facilmente estraibile dal «rabarbaro» e da altri vegetali, biocompatibile e a costo inferiore al vanadio17. Un anno dopo Green Energy Storage, una start-up italiana, dopo averne acquistato il brevetto, ha realizzato il primo prototipo industriale.

Prototipo batteria al rabarbaro
Prototipo batteria al rabarbaro

Più in generale, i livelli raggiunti dalla scienza e dall’ingegneria dei materiali hanno fatto sì che, ad esempio, nel caso delle batterie al litio l’inserimento di particelle micrometriche di ossido di litio e cobalto, che rende più efficiente sia la mobilità degli elettroni e degli ioni, sia il trasporto di molecole all’interno del sistema – condizione essenziale per l’accumulo ottimale dell’energia – si sia rivelato un processo relativamente agevole e realizzabile su scala industriale a costi relativamente contenuti. In termini di catena del valore, una parte rilevante del processo produttivo è infatti effettuabile in serie su linee automatizzate: il costo è quindi destinato a diminuire sensibilmente al crescere del volume della produzione, come confermano le scelte di Tesla in USA e di Daimler in Germania.

ricarica c-zero

La Gigafactory di Tesla è gigante in tutto: un investimento di 5 miliardi di dollari in una fabbrica di batterie al litio, che copre un’area di 5 milioni di piedi quadrati (circa 450.000 m2), pari a quella di 65 campi di calcio. A pieno regime la fabbrica occuperà 6.500 persone. L’attività produttiva è incominciata all’inizio del 2017 (solo una parte della costruzione era già ultimata) e la fabbrica sarà a pieno regime nel 2020, quando produrrà batterie per una capacità complessiva di 35 GWh. Per avere un’idea della visione in grande di Elon Musk, nel 2014, quando venne avviata la costruzione della Gigafactory a Sparks, nel Nevada, la domanda mondiale di batterie al litio per automotive era pari a 5,4 GWh.

Secondo un rapporto di Bloomberg, la Gigafactory di Tesla non riuscirà però a mettere in discussione la posizione dominante dell’industria cinese, che nel 2017 aveva circa il 55% della produzione globale annua di batterie a ioni di litio (103 GWh), contro il 10% americano. Il Rapporto prevede infatti che nel 2021, con i Piani realizzativi già approvati, la quota cinese, con più di 120 GWh/a, salirà al 65% di una produzione mondiale, a sua volta più che raddoppiata, arrivando a 273 GWh/a.

Insomma, gli accumuli elettrochimici sono già tra noi e i contemporanei calo dei costi e incremento delle prestazioni renderanno la «mobilità elettrica» pienamente competitiva entro i prossimi dieci anni.

[ G.B. Zorzoli ]