Auto elettrica ieri, oggi, domani: parte 3

Il termine "batterie agli ioni di litio" nasconde un'ampia varietà di tecnologie.

Una cosa è certa, purché l'elettrochimica degli ioni di litio rimanga invariata a questo proposito. Nessun'altra tecnologia di accumulo di energia elettrochimica può competere con gli ioni di litio. Il punto, tuttavia, è che esistono diversi progetti che utilizzano materiali diversi per il catodo, l'anodo e l'elettrolita, ciascuno dei quali presenta diversi vantaggi in termini di durata (il numero di cicli di carica e scarica fino a una capacità residua consentita per i veicoli elettrici dell'80%), potenza specifica kWh/kg, prezzo euro/kg o rapporto potenza/potenza.

Tornare in tempo

La possibilità di eseguire processi elettrochimici nel cosiddetto. Le celle agli ioni di litio derivano dalla separazione dei protoni e degli elettroni di litio dalla giunzione del litio al catodo durante la carica. L'atomo di litio dona facilmente uno dei suoi tre elettroni, ma per lo stesso motivo è altamente reattivo e deve essere isolato dall'aria e dall'acqua. Nella sorgente di tensione, gli elettroni iniziano a muoversi lungo il loro circuito e gli ioni vengono diretti verso l'anodo di carbonio-litio e, passando attraverso la membrana, si collegano ad esso. Durante la scarica, si verifica il movimento inverso: gli ioni ritornano al catodo e gli elettroni, a loro volta, passano attraverso il carico elettrico esterno. Tuttavia, la carica rapida ad alta corrente e la scarica completa provocano la formazione di nuove connessioni durevoli che riducono o addirittura interrompono il funzionamento della batteria. L'idea alla base dell'utilizzo del litio come donatore di particelle nasce dal fatto che è il metallo più leggero e può facilmente rilasciare protoni ed elettroni nelle giuste condizioni. Tuttavia, gli scienziati stanno rapidamente abbandonando l'uso del litio puro a causa della sua elevata volatilità, della sua capacità di legarsi all'aria e per motivi di sicurezza.

La prima batteria agli ioni di litio è stata creata negli anni '1970 da Michael Whittingham, che utilizzava litio puro e solfuro di titanio come elettrodi. Questa elettrochimica non viene più utilizzata, ma in realtà pone le basi per le batterie agli ioni di litio. Negli anni '1970, Samar Basu dimostrò la capacità di assorbire ioni litio dalla grafite, ma, grazie all'esperienza di quel tempo, le batterie si autodistruggevano rapidamente durante la carica e la scarica. Lo sviluppo intenso iniziò negli anni '1980 per trovare composti di litio adatti per il catodo e l'anodo delle batterie, e una vera svolta avvenne nel 1991.

NCA, celle al litio NCM ... cosa significa veramente?

Dopo aver sperimentato vari composti di litio nel 1991, gli sforzi degli scienziati furono coronati dal successo: Sony iniziò la produzione in serie di batterie agli ioni di litio. Attualmente, le batterie di questo tipo hanno la potenza di uscita e la densità di energia più elevate e, soprattutto, un potenziale di sviluppo significativo. A seconda dei requisiti della batteria, le aziende si rivolgono a vari composti di litio come materiale catodico. Si tratta di ossido di litio cobalto (LCO), composti con nichel, cobalto e alluminio (NCA) o con nichel, cobalto e manganese (NCM), litio ferro fosfato (LFP), litio manganese spinello (LMS), litio ossido di titanio (LTO) e altri. L'elettrolita è una miscela di sali di litio e solventi organici ed è particolarmente importante per la "mobilità" degli ioni di litio, e il separatore, che è responsabile della prevenzione dei cortocircuiti essendo permeabile agli ioni di litio, è solitamente polietilene o polipropilene.

Potenza di uscita, capacità o entrambi

Le caratteristiche più importanti della batteria sono energia specifica, affidabilità e sicurezza. Le batterie attualmente prodotte coprono una vasta gamma di queste qualità e, a seconda dei materiali utilizzati, hanno un intervallo di energia specifico da 100 a 265 W / kg (e una densità di energia da 400 a 700 W / l). Le migliori in questo senso sono le batterie NCA e le peggiori LFP. Tuttavia, il materiale è un lato della medaglia. Per aumentare sia l'energia specifica che la densità energetica, vengono utilizzate varie nanostrutture per assorbire più materiale e fornire una maggiore conduttività del flusso ionico. Un gran numero di ioni "immagazzinati" in un composto stabile e la conduttività sono i prerequisiti per una carica più rapida e lo sviluppo è diretto in queste direzioni. Allo stesso tempo, il design della batteria dovrebbe fornire il rapporto necessario tra potenza e capacità, a seconda del tipo di unità. Ad esempio, gli ibridi plug-in devono avere un rapporto potenza / capacità molto più elevato per ovvie ragioni. Gli sviluppi odierni si concentrano su batterie del tipo NCA (LiNiCoAlO2 con un catodo e un anodo di grafite) e NMC 811 (LiNiMnCoO2 con un catodo e un anodo di grafite). I primi contengono (al di fuori del litio) circa l'80% di nichel, il 15% di cobalto e il 5% di alluminio e hanno un'energia specifica di 200-250 W / kg, il che significa che hanno un uso relativamente limitato di cobalto critico e una durata fino a 1500 cicli. Tali batterie saranno prodotte da Tesla nella sua Gigafactory in Nevada. Quando raggiungerà la piena capacità prevista (nel 2020 o nel 2021, a seconda della situazione), l'impianto produrrà 35 GWh di batterie, sufficienti per equipaggiare 500 auto. Ciò ridurrà ulteriormente i costi della batteria.

Le batterie NMC 811 hanno un'energia specifica leggermente inferiore (140-200W/kg) ma hanno una vita più lunga, arrivando a 2000 cicli completi, e sono 80% nichel, 10% manganese e 10% cobalto. Attualmente, tutti i produttori di batterie utilizzano uno di questi due tipi. L'unica eccezione è la società cinese BYD, che produce batterie LFP. Le auto equipaggiate con loro sono più pesanti, ma non hanno bisogno di cobalto. Le batterie NCA sono preferite per i veicoli elettrici e NMC per gli ibridi plug-in a causa dei loro rispettivi vantaggi in termini di densità di energia e densità di potenza. Ne sono un esempio la e-Golf elettrica con un rapporto potenza/capacità di 2,8 e la Golf GTE ibrida plug-in con un rapporto di 8,5. In nome dell'abbassamento del prezzo, VW intende utilizzare le stesse celle per tutti i tipi di batterie. E ancora una cosa: maggiore è la capacità della batteria, minore è il numero di scariche e ricariche complete, e questo aumenta la sua durata, quindi, maggiore è la batteria, meglio è. La seconda riguarda gli ibridi come problema.

Trend di mercato

Attualmente, la domanda di batterie per il trasporto supera già la domanda di prodotti elettronici. Si prevede ancora che 2020 milioni di veicoli elettrici all'anno saranno venduti a livello globale entro il 1,5, il che contribuirà a ridurre il costo delle batterie. Nel 2010 il prezzo di 1 kWh di una cella agli ioni di litio era di circa 900 euro, mentre ora è inferiore ai 200 euro. Il 25% del costo dell'intera batteria è per il catodo, l'8% per l'anodo, il separatore e l'elettrolita, il 16% per tutte le altre celle della batteria e il 35% per il design complessivo della batteria. In altre parole, le celle agli ioni di litio contribuiscono per il 65% al ​​costo di una batteria. I prezzi Tesla stimati per il 2020 quando Gigafactory 1 entrerà in servizio sono di circa 300 €/kWh per le batterie NCA e il prezzo include il prodotto finito con IVA media e garanzia. Ancora un prezzo abbastanza alto, che continuerà a diminuire nel tempo.

Le principali riserve di litio sono in Argentina, Bolivia, Cile, Cina, Stati Uniti, Australia, Canada, Russia, Congo e Serbia, con la stragrande maggioranza attualmente estratta da laghi secchi. Con l'accumulo di un numero crescente di batterie, aumenterà il mercato dei materiali riciclati da vecchie batterie. Tuttavia, più importante è il problema del cobalto, che, sebbene presente in grandi quantità, viene estratto come sottoprodotto nella produzione di nichel e rame. Sebbene il cobalto abbia un basso contenuto di suolo, viene estratto in Congo (che ha le maggiori riserve disponibili), ma in condizioni che sfidano l'etica, la moralità e la protezione dell'ambiente.

Tecnologia avanzata

Va tenuto presente che le tecnologie adottate come prospettiva per il prossimo futuro, infatti, non sono fondamentalmente nuove, ma sono opzioni agli ioni di litio. Tali, ad esempio, sono batterie allo stato solido, in cui un elettrolita solido (o gel nelle batterie ai polimeri di litio) viene utilizzato al posto del liquido. Questa soluzione fornisce un design più stabile degli elettrodi, che viola la loro integrità quando si carica con corrente elevata, rispettivamente. alta temperatura e carico elevato. Ciò può aumentare la corrente di carica, la densità dell'elettrodo e la capacità. Le batterie allo stato solido sono ancora in una fase molto precoce di sviluppo e è improbabile che appaiano nella produzione di massa fino alla metà del decennio.

Una delle start-up premiate al BMW Innovation Technology Competition 2017 di Amsterdam era un'azienda alimentata a batteria il cui anodo di silicio migliora la densità energetica. Gli ingegneri stanno lavorando su varie nanotecnologie per fornire maggiore densità e resistenza sia all'anodo che al catodo, e una soluzione è usare il grafene. Questi strati microscopici di grafite con uno spessore di un singolo atomo e una struttura atomica esagonale sono uno dei materiali più promettenti. Le "sfere di grafene" sviluppate dal produttore di celle della batteria Samsung SDI, integrate nella struttura del catodo e dell'anodo, forniscono una maggiore resistenza, permeabilità e densità del materiale e un corrispondente aumento della capacità di circa il 45% e tempi di ricarica cinque volte più rapidi. possono ricevere l'impulso più forte dalle vetture di Formula E, che potrebbero essere le prime ad essere dotate di tali batterie.

Giocatori in questa fase

I principali attori come fornitori Tier 123 e Tier 2020, ovvero produttori di celle e batterie, sono Giappone (Panasonic, Sony, GS Yuasa e Hitachi Vehicle Energy), Corea (LG Chem, Samsung, Kokam e SK Innovation), Cina (BYD Company) . , ATL e Lishen) e USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel e Valence Technology). I principali fornitori di telefoni cellulari sono attualmente LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Corea), AESC (Giappone), BYD (Cina) e CATL (Cina), che detengono una quota di mercato di due terzi. In questa fase in Europa, si oppongono solo a BMZ Group dalla Germania e Northvolth dalla Svezia. Con il lancio della Gigafactory di Tesla nel XNUMX, questa proporzione cambierà: l'azienda americana rappresenterà il XNUMX% della produzione mondiale di celle agli ioni di litio. Aziende come Daimler e BMW hanno già firmato contratti con alcune di queste società, come CATL, che sta costruendo uno stabilimento in Europa.