Nell’aprile 2024, un annuncio del produttore cinese di batterie elettriche CATL scuote il mondo automobilistico. Promette una batteria che garantirebbe 1.000 km di autonomia ai veicoli e si ricaricherà del 60% in dieci minuti!
La Shenxing Plus, questo il suo nome, promette prestazioni senza precedenti per una batteria agli ioni di litio. È davvero possibile? Per rispondere a questa domanda bisogna innanzitutto capire come funziona questo tipo di accumulatore. Una batteria agli ioni di litio si basa sullo spostamento degli ioni di litio attraverso un elettrolita liquido. Durante la scarica, gli ioni passano dall’elettrodo negativo, l’anodo, all’elettrodo positivo, il catodo, e viceversa per la carica. Più veloce è il trasferimento degli ioni, più breve sarà il tempo di ricarica della batteria. La particolarità di queste batterie sta nell’intercalazione del litio nei materiali degli elettrodi, cioè nella loro capacità di trattenere ioni carichi: “È come se questi materiali fossero spugne; le loro strutture cristalline accolgono o rilasciano ioni di litio” spiega Patrice Simon, professore all’Università di Tolosa III-Paul Sabatier. La capacità energetica della batteria, e quindi l’autonomia, è legata alla quantità di litio immagazzinato nei materiali degli elettrodi.
Per gli anodi, gli ioni di litio sono intercalati tra fogli di carbonio (spesso grafite). Per il catodo la scelta è più ampia. Nelle prime batterie veniva utilizzato l’ossido di cobalto, ma il costo finanziario e ambientale dell’estrazione di questo metallo sta spingendo i produttori a ridurne la presenza. Viene quindi sostituito, in una certa proporzione, dal nichel e dall’alluminio, che danno vita alla batteria Li-NCA (nichel, cobalto, alluminio). Il vantaggio è che è meno costoso e ha un’elevata densità energetica; svantaggio presenta instabilità termica. Allo stesso tempo, i produttori stanno sviluppando la batteria Li-NMC (nichel, manganese, cobalto) che oggi equipaggia le automobili Tesla e Stellantis (PSA, Fiat, Chrysler Automobiles). I produttori stanno ricercando attivamente combinazioni di materiali per questi catodi, tanto che rappresentano circa il 40% del prezzo della batteria e pongono ancora problemi ambientali.
A volte le migliori zuppe si preparano in vecchie pentole. “Nel 1997”, afferma Michel Armand (CNRS), pioniere nella ricerca sulle batterie agli ioni di litio, “Ho ricevuto via e-mail la presentazione pianificata da John Goodenough* per la prossima conferenza della Electro-mical Society. Questo è un catodo di litio, ferro, fosfato (LFP). Secondo lui, la sua conduttività è troppo scarsa per equipaggiare batterie agli ioni di litio, ma la sua struttura cristallina offre una stabilità di conservazione mai eguagliata prima, e soprattutto non contiene nichel né cobalto! Quando l’ho letto, mi è ribollito il sangue e ho preso il primo volo per incontrarlo. ” Michel Armand sta lavorando per aumentare la diffusione degli elettroni depositando un sottile strato di carbonio sui grani elementari degli elettrodi. Combinando la sua ricerca con la struttura immaginata da John Goodenough, è stato creato il catodo LFP. La sua struttura stabile aumenta la sicurezza riducendo i costi di produzione. “Meno efficienti inizialmente dei catodi NCA e NMC, i produttori non ci hanno scommesso… tranne i cinesi”, aggiunge Michel Armand.
Tuttavia, è proprio il catodo LFP che oggi equipaggia la batteria Shenxing Plus.
CATL annuncia di essere riuscita a ottimizzare lo stoccaggio del litio grazie a una tecnologia chiamata “tecnologia di gradazione granulare” e sviluppando un anodo “a nido d’ape 3D”. Per Michel Armand è forse un errore strategico da parte dei produttori europei e americani non aver investito nella LFP. Ma la situazione sta cambiando: la direzione della Renault ha appena annunciato che alcune vetture, come la Renault 5, saranno equipaggiate con Li-LFP. Per quanto riguarda l’annuncio sullo Shenxing Plus, nessuno nel settore commenta, suggerendo che il settore rimane dubbioso sulla performance annunciata.
La batteria agli ioni di litio dominerà sicuramente il 21° secolo e oltre
Elettrolita liquido o solido?
Per Patrice Simon, “Le batterie agli ioni di litio nelle tecnologie convenzionali stanno raggiungendo l’apice; se spingiamo tutti i cursori – gestione dei materiali e dell’energia – possiamo sperare di raggiungere i 600 o 700 km di autonomia, ma è difficile immaginare di andare oltre”. O, “Sarebbe necessario trasformare l’elettrolita liquido in un solido. Possiamo così utilizzare un anodo metallico al litio e aumentare di dieci volte la densità energetica delle batterie: questa è la batteria tutta allo stato solido” spiega il professor Trang Phan dell’Università di Aix-Marsiglia. Questo chimico sta sviluppando un elettrolita solido composto da due polimeri. “Esistono altre strade, come l’uso di elettroliti ceramici, ma per me la strada dei polimeri è quella di maggior successo” aggiunge.
La ricerca globale sui solidi è in piena espansione. La Cina ha lanciato il programma Casip (China All-Solid State Battery Collaborative Innovation Platform), con un budget di 828 milioni di dollari. A livello europeo, “ogni Paese vuole giocare la propria carta, ma è difficile vincere se non si collabora con la reale volontà del governo e il coinvolgimento degli industriali”afferma Jean-Marie Tarascon, ricercatore medaglia d’oro del CNRS, ideatore della rete sullo stoccaggio dell’energia elettrochimica (RS2E).
Allo stato tutto solido è presente anche la batteria agli ioni di sodio. Il sodio, come il litio, dona facilmente un elettrone, il che lo rende un buon candidato ed è più virtuoso del litio. “Le batterie agli ioni di sodio non saranno in grado di eguagliare la capacità energetica delle batterie al litio, ma sono perfette per le auto autonome o condivise nei centri urbani”, dice Jean-Marie Tarascon.
Queste batterie montavano Autolib [des voitures partagées développées par Blue Solutions, NDLR]. Tuttavia, per funzionare, l’elettrolita polimerico doveva essere riscaldato a 70°C. L’ideale sarebbe quindi sviluppare un elettrolita operante a temperatura ambiente. Questo l’obiettivo della start-up Tiamat, frutto di una ricerca del CNRS; una gigafactory dovrebbe aprire in Francia nel 2025. Questa batteria agli ioni di sodio, che unisce potenza ed ecocompatibilità, ha un futuro brillante, ma Jean-Marie Tarascon lo sa: “ Si posizionerà come complemento alla batteria agli ioni di litio, che dominerà sicuramente il 21° secolo e anche oltre”.
*Fisico americano, Premio Nobel per la Chimica nel 2019 con il britannico Stanley Whittingham e il giapponese Akira Yoshino per i loro contributi alla batteria agli ioni di litio.