Quando si parla di veicoli elettrici si tende a credere che le celle della batteria, il vero cuore tecnologico del mezzo, possano contenere materie prime e metalli rari di difficile reperimento sui mercati mondiali.
Una cella attuale per batterie destinate ad auto elettriche è composta da quattro elementi: catodo, anodo, elettrolita e separatore. Il tipo di cella presenta, per convenzione, la sigla dei metalli di cui è composto il materiale. Ad esempio, la cella del catodo è di tipo NCM o di tipo LFP: l’NCM è composto da litio (non citato), nichel, cobalto e manganese, mentre LFP da litio, ferro e fosfato.
Nell’attuale produzione di veicoli a batteria, il cobalto – materia rara rilevata nel catodo – è il metallo più costoso e di difficile reperimento perché la sua estrazione è soggetta a dinamiche socio-politiche instabili e complesse. La maggior parte delle miniere di cobalto, infatti, risiede nella Repubblica Democratica del Congo, seguite da quelle in Russia, Australia, Filippine e Cuba. Tuttavia, le risorse terrestri stimate di questo materiale raro ammontano a circa 25 milioni di tonnellate: si tratta dunque di un metallo difficile da reperire e localizzato in pochi Paesi geopoliticamente instabili (ad eccezione dell’Australia), ma che presenta anche una discreta quantità a disposizione a livello globale.
Si stima che circa la metà delle celle destinate alla produzione di veicoli è già coperta dalla tipologia LFP, Litio Ferro Fosfato (LiFePO4). Le LFP sono già celle prive di cobalto e sono utilizzate per lo più per la produzione di veicoli elettrici con autonomia di guida media presentando dunque un limite consistente: una bassa densità energetica.
La chimica per le celle attualmente più utilizzata è quella NCM (Nichel, Ossido di Cobalto, Manganese). Tuttavia, l’attuale e critica situazione geopolitica, legata soprattutto al conflitto russo-ucraino, può essere causa di una possibile interruzione della catena di fornitura e del reperimento del nichel, problematiche che si sommano alle criticità legate all’estrazione del cobalto. Tra il 2020 ed il 2021, a livello mondiale si è riscontrato un aumento della richiesta di nichel pari al 96% e di cobalto pari al 95%. L’Indonesia è il Paese con la maggiore estrazione di nichel al mondo seguita da Filippine, Nuova Caledonia, Russia, Australia, Canada, Cina, Brasile, Cuba, Guatemala.
Perché attualmente si utilizza la chimica NCM?
Le celle NCM al litio godono di qualità uniforme ed elevata densità energetica e, ad oggi, rappresentano la chimica con la maggiore capacità produttiva industriale mondiale, con circa il 69% del totale. Le celle NCM sono dunque, attualmente, le celle più utilizzate nel settore delle batterie ricaricabili al litio (fonte Bloomberg New Energy Finance).
Nuove chimiche per veicoli ad alte prestazioni
Porsche – per le sue auto elettriche ad alte prestazioni con celle di diversa ed esclusiva composizione chimica – ha sviluppato l’uso dell’anodo in silicio al posto della più gettonata grafite. Grazie al silicio, infatti, la Casa automobilistica ha riscontrato migliori prestazioni di ricarica, compattezza, densità energetica e, soprattutto, di gestione termica e di resistenza alle alte temperature. Tuttavia, questa chimica sembra presentare una durata inferiore delle celle rispetto alle chimiche più diffuse e più durature.
Le batterie allo stato solido
Già nel 2017 è stata annunciata dal Premio Nobel per la Chimica John B. Goodenough una nuova tecnologia allo “stato solido”. L’inventore delle batterie al litio, insieme al suo attuale team della Texas University, avrebbe inventato la cella per batterie al vetro. L’utilizzo del vetro nelle celle per i pacchi batteria, sostitutivo del litio, potrebbe presentare grandi vantaggi quali una maggiore autonomia – raggiungibile anche con tempi di ricarica ridotti – una stabilità termica e una durata molto più prolungata rispetto alle attuali celle. Sembra, inoltre, che le celle con vetro resistano fino a -20°C e fino a +60°C, quindi con necessità di sistemi di “thermal management” a bordo auto decisamente meno pesanti, performanti e raffinati, rispetto a quelli utilizzati oggi per mantenere le batterie al litio dei veicoli elettrici a una temperatura adeguata.
Conclusioni
Le criticità geopolitiche, la facilità di reperimento delle materie prime, il loro prezzo di mercato e la ricerca di chimiche con prestazioni migliori (densità energetiche più alte e autonomia più lunga) daranno un’ulteriore spinta innovativa allo sviluppo di composizioni chimiche più performanti per le celle dei pacchi batteria del futuro.
Attualmente, la ricerca e lo sviluppo delle batterie attuali si sono concentrate soprattutto sul catodo. Sarà quindi importante capire se, seguendo l’esempio della Porsche, nasceranno altri concorrenti sul mercato interessati a soluzioni diverse dalla grafite.
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Glossario
LFP = Litio, Ferro, Fosfato scientificamente la sigla sarebbe LiFePO4 NCM = Nichel, Ossido di Cobalto, Manganese (il litio non è citato ma è il componente base)