L'articolo è interessante e prezioso anche per il fatto che spiega in modo chiaro e semplice la tecnologia delle batterie agli ioni di litio, i loro componenti, le percentuali in gioco, gli spazi di sviluppo e i costi. Leggiamo alcuni stralci o sunti.
Le auto elettriche necessitano di batterie che conservano abbondante energia utile per poi ricaricare le batterie nel tempo necessario per sorseggiare un caffè. Questa la soluzione che i ricercatori di BASF stanno sviluppando.
Solo pochi anni fa, le auto elettriche erano un'opzione solo per gli appassionati di tecnologia o gli ambientalisti più duri e puri. Lenti e costose, impiegavano diverse ore per ricaricare e la loro percorrenza limitata.
Entro il 2020, l'immagine sarà molto diversa. Sarai in grado di ricaricare la tua auto elettrica nel tempo necessario per bere un caffè per poi guidare per 500 chilometri prima di aver bisogno di ricaricare.
La rivoluzione dell'automobile elettrica è su di noi, spinta da regolamenti ambientali, incentivi governativi e un rapida innovazione. L'Agenzia internazionale per l'energia prevede che il numero di veicoli elettrici sulla strada in tutto il mondo aumenterà da 2 milioni di oggi a 20 milioni entro il 2020 e 70 milioni entro il 2025. Il governo cinese è costretto a sostenere l'industria automobilistica nell'era elettrica con tassazioni fiscali, sovvenzioni alla ricerca e sull'onda di una sentenza secondo cui entro il 2020 il 12% di tutti i veicoli venduti nel paese dovrà essere elettrico. E il Regno Unito, la Francia, la Norvegia, l'India e molti altri paesi intendono farne meglio eliminando motori a benzina e diesel completamente nei prossimi decenni.
Nessuno di questi obiettivi temporali sarà possibile senza una rivoluzione parallela nel modo in cui immagazzina e si trasporta l'energia. Le prestazioni di un'auto elettrica è soggetta in gran parte alla qualità della sua batteria. Lo sviluppo di batterie potenti, durature e sicure che possono contenere un sacco di energia è fondamentale per questa visione.
Una società all'avanguardia di tutto questo è BASF. Il gigante tedesco dei prodotti chimici fornisce alla maggior parte dei produttori leader di batterie una delle loro componenti più importanti: il materiale che costituisce l'elettrodo, il catodo, in una batteria agli ioni di litio. "Il materiale catodico determina le proprietà chiave della batteria, come il suo contenuto energetico, la sicurezza e la durata della vita", afferma Markus Hoelzle, che sovrintende allo sviluppo dei prodotti per batterie BASF. "C'è una grande necessità di miglioramento in questo settore a causa della domanda di batterie a basso costo, sicure e veloci da caricare con un range di percorrenza ampio".
Le batterie agli ioni di litio generano corrente attraverso il movimento di ioni e elettroni. Quando la batteria è scarica, gli ioni di litio si muovono attraverso un elettrolito da un elettrodo (l'anodo) ad un altro (il catodo).
Gli ioni di litio raccolti sul catodo aggiungono carica positiva, che attrae elettroni negativi. Gli elettroni passano attraverso un circuito esterno agli ioni, ciò crea la corrente che alimenta l'auto. Durante la carica, questo processo avviene in senso inverso.
La batteria agli ioni di litio ad alto rendimento del domani
Il motivo per cui il materiale catodico svolge un ruolo così critico è che in gran parte è responsabile del flusso di ioni.
Nelle prime batterie agli ioni di litio, introdotte da Sony nel 1991, gli elettrodi del catodo sono stati realizzati in ossido di litio-cobalto, che ha un'elevata densità di energia ma il cobalto è costoso. Se l'ossido di litio-cobalto è stato utilizzato in una batteria che permette una percorrenza di 400 chilometri, il cobalto da solo costerebbe più di $ 5000.
Per rendere le batterie più accessibili, BASF sostituisce un po' di cobalto con il nichel, che lo troviamo a un quinto del prezzo. Per alcuni aspetti, il nichel rende ancora migliore il materiale catodico perché permette il raddoppio della densità energetica. Ma l'ossigeno in questo mix può essere rilasciato a una temperatura relativamente bassa, aumentando il rischio di incendio. La soluzione è quella di aggiungere un altro metallo per stabilizzare il mix, di solito manganese o alluminio, che sono meno elettricamente attivi.
I ricercatori di BASF hanno trascorso molto tempo studiando queste combinazioni e capendo le loro proprietà. Questo lavoro è reso più difficile dalle diverse esigenze dei fabbricanti di batterie, ad esempio, diversi tipi di veicoli elettrici attribuiscono priorità alle diverse caratteristiche.
Le auto completamente elettriche richiedono batterie con un sacco di capacità di stoccaggio per massimizzare il range di guida. Ciò richiede un catodo con un'elevata densità di energia - uno che possa assorbire il maggior numero di ioni di litio in un piccolo spazio possibile.
Il nichel è ottimo per questo, e più nichel si può utilizzare, maggiore è la percorrenza dell'auto - ma aumenta il rischio di incendio. Trovare il contenuto ottimale di nichel per una batteria sicura e ad alta energia è una delle principali sfide della ricerca di BASF. "Il nostro obiettivo è quello di raggiungere la massima densità energetica con un materiale sicuro", afferma Hoelzle.
Al contrario, per le auto ibride, la velocità con cui la batteria fornisce energia è più importante della capacità di stoccaggio. Questo perché ibridi tendono ad usare le batterie perchè queste forniscono alta energia repentinamente come ad esempio quando si accelera dopo una sosta.
Per fornire un alto coppia, una batteria deve spostare un gran numero di ioni di litio rapidamente dall'anodo al catodo. Così i ricercatori di BASF progettano materiali a catodo utilizzando piccole particelle, che lasciano spazi vuoti affinchè gli ioni di litio siano capaci di muoversi e uscire rapidamente. Aiuta ancora di più se il materiale catodico è poroso: più buchi significa più spazio e maggiore flusso ionico.
Questo tipo di ricerca all'avanguardia dovrebbe ridurre significativamente il costo delle batterie. Le batterie agli ioni di litio costano circa 200 dollari per kilowattora di energia.
Jeffrey Lou, che gestisce l'unità di business globale di BASF per i materiali delle batterie, pensa che le tecnologie migliorate contribuiranno a ridurre a 90 dollari al chilowattora: "Ma l'innovazione sarà chiave sul lato materiale, sui processi produttivi efficienti e sul riciclaggio delle batterie usate".
Gli impatti saranno significativi. I veicoli elettrici elettrici convenienti porteranno a città più tranquille e pulite, ma anche a cambiare il nostro modo di vivere. Ad esempio, dovresti essere in grado di arrivare al supermercato e caricare la tua auto mentre fai i tuoi acquisti, per poi pagare insieme energia e cibo. "La tecnologia è già visibile sui tavoli di laboratorio", spiega Hoelzle. "Nel prossimo futuro vedremo un nuovo tipo di mobilità".
Fornitura di metalli
Come aumenta la domanda di veicoli elettrici, così la domanda per le materie prime. Questa è una sfida importante per BASF, che richiede regolari forniture di nichel, cobalto, manganese, alluminio e litio per i componenti delle batterie.
BASF ha recentemente annunciato una collaborazione con la società mineraria norvegese Norilsk Nickel, per garantire una fornitura stabile di nichel e cobalto.
Allo stesso tempo, la società sta sviluppando modi per ridurre la percentuale di cobalto necessaria nei componenti della batteria chiamati catodi. Lo standard attuale è del 20%, accanto al nichel del 50%, al manganese del 20% e al litio al 10%.
Il team di ricerca e sviluppo di BASF ha sviluppato nuovi materiali catodici che utilizzano solo il 10% di cobalto e sta lavorando a ridurre ulteriormente il 5%. L'azienda prevede di farlo aumentando le proporzioni di nichel e manganese, che sono più economici e più ampiamente disponibili.
Ma la sfida sarà quella di fare tutto questo pur mantenendo la sicurezza della batteria.
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