Com’è fatta la batteria del veicolo elettrico?

Le batterie elettriche sono la fonte di energia per un veicolo elettrico e sono considerate la spina dorsale della mobilità elettrica. I veicoli elettrici utilizzano un pacco batterie composto da migliaia di singole celle che lavorano insieme.
La batteria è composta da due parti principali:

• Catodo
• Anodo

Il catodo funge da lato positivo della batteria, mentre l’anodo è il lato negativo. Un elettrolita, una soluzione chimica nel mezzo, consente il flusso di carica tra il catodo e l’anodo. Le particelle di ioni caricate positivamente si muovono attraverso l’elettrolita dall’anodo al catodo creando un flusso continuo di elettroni per fornire elettricità. Una batteria agli ioni di litio (Li-ion) è una batteria ricaricabile che ha una maggiore densità di energia; pertanto, la maggior parte delle batterie dei veicoli elettrici sono realizzate in li-ion perché:

• sono leggere
• hanno un’alta densità di energia
• funzionano bene alle alte temperature

La capacità della batteria è misurata in Kwh; maggiore è il Kwh, maggiore è la capacità della batteria e maggiore è l’autonomia del veicolo elettrico. Ad esempio, un tipico pacco batterie da 40 kWh può essere sufficiente per alimentare un veicolo elettrico per 200 km o più.

Come si carica e scarica una batteria per veicoli elettrici?

Quando il veicolo elettrico è in carica, l’elettricità viene utilizzata per apportare modifiche chimiche all’interno delle sue batterie. Quando il veicolo elettrico è sulla strada, queste cariche vengono invertite per produrre elettricità. Il processo di carica e scarica nel tempo influisce sulla quantità di carica che le batterie possono immagazzinare. La maggior parte dei produttori di veicoli elettrici ha una garanzia da cinque o più anni sulle loro batterie. Tuttavia, la prossima tecnologia delle batterie dei veicoli elettrici prevede che una batteria durerà da dieci a venti anni prima che sia necessario sostituirla.

Come funziona la batteria dei veicoli elettrici?

La batteria è collegata a motori elettrici che azionano le ruote. Quando si preme l’acceleratore, l’energia immagazzinata nella batteria viene gradualmente consumata per alimentare l’alimentazione del motore. I motori elettrici funzionano anche come generatori, quindi quando stacchi il piede dell’acceleratore e premi i freni, il veicolo elettrico inizia a rallentare riconvertendo il suo movimento in elettricità. Questa frenata rigenerativa recupera l’energia e la immagazzina nuovamente nella batteria migliorando l’autonomia del veicolo elettrico.

Attuali sfide delle batterie per veicoli elettrici

La maggior parte delle batterie dei veicoli elettrici sono principalmente fatte di litio e alcuni altri metalli leggeri:

• grafite
• cobalto
• manganese
• nichel

Il catodo è fatto di cobalto, manganese e nichel. L’anodo è fatto di grafite. Sia il catodo che l’anodo possono immagazzinare litio. Il nichel nel catodo crea un’alta densità di energia. Ciò consente ai veicoli elettrici di viaggiare più lontano con una singola carica. Il cobalto salva i catodi dal surriscaldamento. Aiuta anche a prolungare la vita delle batterie EV.

Il futuro della mobilità elettrica sembra luminoso, ma ci sono alcuni segnali di avvertimento provenienti dalla catena di approvvigionamento d dall’aumento dei prezzi dei materiali necessari per la produzione di batterie; il litio è aumentato del 150%, la grafite del 15% e il nichel del 25%. L’aumento della domanda di veicoli elettrici ha portato a prezzi più elevati e problemi di offerta per i produttori. Nel frattempo, i vincoli della catena di approvvigionamento e le considerazioni geopolitiche relative alle materie prime come nichel e cobalto presentano ostacoli significativi. Si prevede che la posizione dominante della Cina nella catena di approvvigionamento agli ioni di litio continuerà ad affrontare vincoli della catena di approvvigionamento come costi di trasporto aereo gonfiati, continua carenza di materie prime di navi da carico, porti marittimi intasati, chiusure a causa della pandemia.

Le nuove tecnologie per il futuro delle batterie EV

La corsa all’innovazione tra le aziende di veicoli elettrici è in corso per creare la tecnologia delle batterie di prossima generazione. Le aziende di veicoli elettrici stanno studiando modi per cambiare il mix di sostanze chimiche che usano e stanno dedicando il proprio sviluppo verso un prodotto più economico, più veloce da caricare e meno vulnerabile alla carenza di materie prime. Alcune ricerche sono in corso per aumentare l’uso di manganese e litio, riducendo al contempo la quantità di cobalto. Questo metodo può ridurre i costi in quanto gli elementi sono più disponibili. Esperimenti con manganese hanno dimostrato che può anche migliorare la densità di energia e la sicurezza di una batteria.

Batterie allo stato solito

Alcune altre ricerche sono in corso verso le batterie a stato solido. La principale differenza tra la batteria agli ioni di litio e la batteria a stato solido è che quest’ultima non contiene un elettrolita liquido, ma sottili strati di elettroliti solidi che trasportano ioni di litio tra il catodo e l’anodo. Ciò può consentire l’uso di anodi metallici al litio che avranno una densità di energia della batteria superiore del 70% rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Questa tecnologia delle batterie dei veicoli elettrici dovrebbe andare verso la produzione di massa da tre a cinque anni da oggi. A quel punto, le batterie dei veicoli elettrici forniranno più energia densa che potrà aumentare l’autonomia del veicolo elettrico e una ricarica più veloce.

Nuovi materiali per un mercato più sostenibile

Inoltre, alcune aspettative del settore prevedono che si verificherà un passaggio quest’anno e nei prossimi anni dalle composizioni di nichel-manganese-cobalto alle composizioni di litio fosfato o batterie LFP che sono meno costose, più abbondanti e hanno un arco di tempo più lungo rispetto al nichel manganese cobalto (NMC) e al nichel cobalto alluminio (NCA). Le batterie LFP non contengono nichel o cobalto nel catodo i cui prezzi sono aumentati drasticamente. Invece, questi sono fatti di ferro e fosforo che sono più abbondanti ed economici. Un’altra innovazione oltre alle batterie LFP è la tecnologia cell-to-pack (CTP) che elimina la necessità di moduli per ospitare le celle nel pacco batterie, riducendone così il peso e migliorando la densità di energia delle batterie LFP.

Con l’elevata domanda di litio per la produzione di batterie, i ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare la tecnologia Na-ion. Na-ion è stato sviluppato da CATL, uno dei maggiori produttori di batterie al mondo, che ha introdotto Na-ion nel 2021 e prevede di formare una catena di approvvigionamento industriale entro il 2023. CATL sta anche mitigando i limiti di densità energetica attraverso il loro nuovo design del pacco batteria AB che può integrare sia le celle agli ioni di litio che agli ioni di litio in un unico pacchetto. Na-ion si basa su minerali abbondanti ed economici rispetto alle batterie agli ioni di litio. Il catodo è costituito da elementi economici: sodio, ferro, azoto e carbonio. Na-ione non può usare anodi di grafite, quindi invece usa carbonio duro. Inoltre, è necessario meno rame poiché i Na-ion utilizzano collettori di corrente anodica in alluminio, a differenza degli ioni di litio. Ciò deve essere utile per ridurre la domanda di litio, grafite e cobalto.

Riciclo delle batterie e transizione elettrica

Inoltre, il riciclo delle batterie è considerato uno degli obiettivi chiave per sostenere la disponibilità di materie prime rare. Le materie prime possono essere riciclate da flussi di rifiuti minerari, di lavorazione e commerciali per garantire un accesso affidabile, sicuro e sostenibile ad esse.

La crescita futura della produzione di veicoli elettrici richiede non solo un’espansione dell’estrazione di minerali chiave, ma anche dell’intera catena del valore dei veicoli elettrici. Ciò comprende la lavorazione e la raffinazione dei metalli delle batterie, la produzione di catodi e anodi, la produzione di separatori, la produzione di celle, l’assemblaggio di batterie e, infine, l’assemblaggio di veicoli elettrici. Tutte queste industrie devono espandersi rapidamente per evitare colli di bottiglia che potrebbero rallentare la transizione verso la piena mobilità elettrica.