Questione di densità energetica | Batterie da 2 milioni di km e grafite geopolitica

Quando si parla di carburanti, o metodi di alimentazione, la densità energetica è tutto. Il successo della benzina e del diesel sta proprio in questo aspetto: 1 kg di benzina ha una densità energetica di 46,9 MJ; visto che il tema generale è quello delle auto elettriche diventa necessario convertire in kWh (1 kWh = 3,6 MJ). Il risultato è circa 13 kWh.

Il confronto è ingeneroso : 13.000 Wh per un chilogrammo di benzina contro 200 Wh per un chilogrammo di batterie per autotrazione…

EFFICIENZA E DENSITÀ ENERGETICA

Decidendo di ignorare la fisica, un qualsiasi detrattore dell'auto elettrica avrebbe vita facile: Ioniq Electric è perfettamente in grado di percorrere 100 km con 13 kWh, lo abbiamo provato: con un pieno (38,3 kWh) può viaggiare per 290 km nello scenario urbano mentre una qualsiasi auto a combustione può superare i 500 km.

Senza scomodare auto puramente a benzina, Ioniq Hybrid si attesta sui 5 litri ogni 100 km in città, consumo che prendiamo come riferimento per il mondo delle auto termiche a parità di vettura e nonostante il paragone sia sia impreciso poiché, pur piccolo, c'è sempre un aiuto da parte di una batteria che taglia i consumi nelle fasi di transitorio in cui il motore a combustione fatica di più. Usando l'equivalenza dell'introduzione, con 1 kg (13 kWh) di benzina percorriamo 20 chilometri. La stessa auto in versione elettrica ne percorre 100.

Il motivo? Tutta questione di efficienza, un motore a combustione non raggiungerà mai l'efficienza di un elettrico (95% motore e inverter), anche considerando le perdite durante la ricarica ad esempio (90% aggiungendo dispersioni elettriche caricabatterie e rete). Il vantaggio dei carburanti è però quella della densità energetica: 1 kg di benzina è compatto, 1,5  litri circa, occupando quindi un volume molto ridotto che consente di portarsi, su un'auto media, 45 litri pronti ad essere ricaricati in poche decine di secondi. Ioniq Hybrid percorre quindi il doppio dei chilometri dell'elettrica con un pieno.

Risulta chiaro che si tratta di una questione di bilanciamento fra densità ed efficienza (escludendo il problema della ricarica). Oggi Ioniq Electric monta batterie da 112 Wh / kg, basterebbe raddoppiare questo dato per avere la stessa autonomia dell'ibrida. E, sempre oggi, il mercato propone batterie da 220 Wh / kg, con Tesla che si stima viaggi intorno ai 250 Wh / kg grazie alle celle 2170 della Model 3.

350 Wh / kg: SI PUÒ FARE

Battery500 è un consorzio creato con l'obiettivo di sviluppare batterie litio-metallo con densità energetica di 500 Wh al chilogrammo. Il nome è quindi il programma, ma quello che il risultato, se raggiunto, comporterebbe, avrà conseguenze su scala mondiale. 

Maggior densità energetica significa realizzare batterie più compatte, leggere ed economiche, in grado di portare la tecnologia del motore elettrico non solo ad auto più economiche e compatte ma con autonomie degne dei grandi SUV o delle berline di oggi, ma anche di uscire dal mondo automotive per applicazioni come l'aereonautica.

Non solo raggiungere risultati superiori agli standard di oggi diventa la chiave per altre applicazioni, ma nel mondo auto significa aumentare l'autonomia al punto che sparirebbe il problema della ricarica. Se già oggi per molti conducenti basterebbe ricaricare una volta alla settimana, domani sparirebbe anche quel bias cognitivo legato all'autonomia.

Proprio il consorzio Battery500, ha recentemente raggiunto una "proof of concept", la prova empirica che si possono realizzare batterie Li-metal da 350 Wh / kg in grado di assicurare almeno 350 cicli di ricarica (testati). 350 cicli di ricarica sono una cifra non eccezionale. Le prime Litio-Manganese di Leaf dovevano, dai test in laboratorio, perdere solo il 10% dell'efficienza dopo 500 cicli (un paio di anni di utilizzo) ma risultarono peggiori nel mondo reale dove si è osservato un decremento del 25/30%.

Questi i dati degli inizi dell'era elettrica (che vi ho raccontato qui); negli anni sono cambiate moltissime cose e Tesla è riuscita a garantire risultati migliori con la prova sul campo fatta da Branden Flasch che ha percorso 233.000 chilometri evidenziando che dei 70 kWh originali, dopo 1014 cicli di ricarica, erano rimasti poco più di 62 kWh.

1 MILIONE DI MIGLIA, MENO DI 100 DOLLARI AL kWh

Oggi la media di una garanzia commerciale del produttore è di 8 anni e 160.000 chilometri, un dato conservativo che lascia ampio spazio di manovra ai brand e che riguarda appunto un mercato fatto di soluzioni più sofisticate (come Tesla, 500.000 km per Model 3) e soluzioni più arretrate per tecnologia delle celle, logica software del Battery Management System (BMS) e sistema di raffreddamento.

Il prossimo passo annunciato è il milione di miglia, 1.600.000 chilometri per le batterie di nuova generazione che dovrebbero ridurre la quantità di cobalto utilizzato nel catodo (con l'obiettivo di azzerarlo). Queste percorrenze si traducono in 15/20 anni e 6.000 cicli con un degrado del 20% rispetto alla capacità iniziale.

CATL è l'altro giocatore in questa partita, legato a Tesla da una partnership in Cina dove è stata annunciata la batteria da 1,24 milioni di miglia (2.000.000 di km) per 16 anni di ricariche. Ma CATL non lavora solo con Tesla e fornisce anche le celle per Volkswagen ad esempio: solo il Battery Day di Tesla potrà fare luce sulla profondità del rapporto tra i due brand e sugli eventuali vincoli di esclusiva: ad oggi è in essere un contratto di due anni per le Model 3 di Shanghai.

L'azienda dice infatti di essere pronta alla produzione non appena riceverà i primi ordini ed è bene ricordarsi che una batteria non è solo miglia (e cicli) ma chimica, materiali e rivestimenti fanno la differenza – insieme al BMS e alla densità energetica – nelle prestazioni. Non è da escludere, pensando a logiche di vantaggio competitivo di Tesla ad esempio, uno scenario in cui ci saranno batterie da 1 milione di miglia di "classe A" e di "classe B" a seconda del mercato e dell'utilizzo delle auto: un conto è un'elettrica per le lunghe percorrenze americane, un altro è una per le città cinesi ad esempio; senza dimenticarci poi delle applicazioni statiche come l'accumulo.

Anche i costi delle batterie sono prossimi ad abbassarsi: grande è l'attesa per gli annunci di Tesla che promette di sfondare questo muro a fronte di una stima, riferita al mercato complessivo,  di 143 $/kWh per il 2020, in calo rispetto ai 158 dollari del 2019 e ai 299 $ del 2016 (dati Bloomberg New Energy Finance).

Abbassare il costo porterà ad aumentare la produzione, specie considerando l'accelerata verso la mobilità elettrica che è tra i piani dell'Europa all'interno del più ampio progetto Green New Deal. Le auto elettriche sono solo una parte di questo programma ma diventeranno fondamentali nell'ottica di creare un ecosistema che, sfruttando maggiormente le rinnovabili, porterà inevitabilmente sia ad una maggior richiesta di mezzi (anche in ottica V2G per stabilizzare la rete), sia ad un incremento dei sistemi di accumulo. La Germania ha iniziato a muovere i primi passi aumentando gli incentivi ad esempio.

Abbassare i costi al kWh per le batterie potrebbe non significare necessariamente un calo dei prezzi per l'acquirente. Dipende dalle scelte del produttore che può giocarsi quel risparmio per aumentare i margini e il profitto. Anche a fronte di un listino più leggero, non è detto che il rapporto per l'utente finale sia di 1:1

La ricerca diventa essenziale per rispondere all'incremento di domanda che si traduce in materie prime. Nichel, alluminio e grafite sono quelle principali per le tecnologie attuali (oltre al cobalto). Se per l'alluminio non ci sono problemi di produzione, un incremento di 10, 20 o 30 volte nella richiesta (aumentare di 30 volte è l'obiettivo della sola Tesla ad esempio, da 30 GWh a 1 TWh) costringerà a cambiare l'approccio, specie se si considera che l'intero mercato del 2019 superava di poco la capacità totale di 200 GWh per tutte le batterie in tutti i settori, dalle auto all'elettronica di consumo.

Escluse le riserve, l'estrazione del nichel nel 2019 ha raggiunto 2,7 milioni di tonnellate e i vari marchi hanno già iniziato a lavorare per incrementare questo dato, unendosi in consorzi tra brand automotive e produttori di batterie. L'altro fronte è quello della grafite, oggi in mano alla Cina per volumi (82% del mercato nel 2018).

GRAFITE: UNA NUOVA SFIDA USA-CINA

Considerati i movimenti geopolitici, le aziende coinvolte nella mobilità elettrica stanno cercando una strada alternativa rappresentata dalla grafite sintetica. Tra i vari esempi in questo settore c'è Novonix che è nata nel campo della ricerca per le batterie, offrendo strumenti in grado di ridurre i tempi di test delle tecnologie legate agli accumulatori.

In USA, tutto è partito dalla "High Precision Coulometry" che unisce hardware e tecnica di analisi dei dati per predire, con altissima precisione, la vita utile delle batterie, valutando accuratamente le celle e il comportamento dei singoli elettroni. Avere una risposta rapida sull'efficienza di Coulomb (o efficienza di carica) consente di ottenere subito un numero che rappresenta il rapporto tra la carica totale estratta dalla batteria rispetto a quella "inserita" in un ciclo completo. In questo modo è stato possibile per i ricercatori avere una stima affidabile della vita degli accumulatori (quindi dei cicli di carica e del degrado di capacità) al variare del design delle celle e dei materiali, senza dover effettuare lunghi test sul campo.

Quando Novonix ha iniziato a lavorare con un'azienda di grafite, che poi ha acquistato Novonix stessa utilizzandone anche il nome, si sono create sinergie tali da permettere di unire sotto un tetto la ricerca sulla grafite sintetica per gli anodi, con qualità e caratteristiche controllate dal produttore rispetto a quella naturale, e lo strumento per testare facilmente e in qualche settimana ogni variazione della formula.

L'azienda si collega a quanto sopra perché anch'essa impegnata nell'obiettivo della "batteria da 1 milione di miglia": con la presentazione agli investitori del 29 maggio 2020, Novonix ha confermato la sua strategia per opporsi alla Cina (al momento è l'unico fornitore di grafite per gli anodi in USA) e gli investimenti per la produzione. Obiettivo? 2.000 tonnellate annue tra il 2020 e il 2021 per una serie di clienti, tra cui quello storico (Samsung SDI, 500 tonnellate) e altri non ancora annunciati, sia nel mercato domestico degli USA, sia internazionali.

La necessità di ridurre la dipendenza dalla Cina nella produzione di batterie ha visto nascere diversi poli, dalla Gigafactory in Nevada agli impianti di LG e SK in USA e ai progetti in fase di realizzazione in Europa

Infine, citando Elon Musk, nelle batterie "il litio è come il sale sull'insalata", anche se sarebbe da obbiettare che gioca un ruolo importantissimo, anche quantitativamente. L'elettrolita liquido conduce gli ioni di litio trasportando le cariche dal catodo all'anodo. L'elettrodo positivo è realizzato con nichel, alluminio e cobalto (o nichel manganese e cobalto) e, durante la carica della cella, il litio viene ospitato nel polo opposto realizzato in grafite.

L'elettrolita, però, reagisce con la grafite decomponendosi sull'anodo: questo influenza le prestazioni della batteria tramite riduzione dell'efficienza di Coulomb, riduzione della capacità utilizzabile della cella e degrado della chimica stessa. Da qui l'importanza di un anodo realizzato con grafite pura, più stabile e meno suscettibile alle reazioni con gli ioni di litio.

Semplificando molto, significa evitare che parte del litio venga "intrappolato" nell'anodo e, non potendo tornare nel catodo, diminuisca il numero complessivo di elettroni liberi di muoversi tra i due poli.

È SOLO L’INIZIO…

Lo scenario che ci si prospetta è entusiasmante, a prescindere da come la si pensi sull'auto elettrica. Con questo speciale, infatti, ho voluto scendere ad un livello di approfondimento maggiore sul tema delle batterie, ma la tana del bianconiglio è più profonda di quanto si immagini.

Nel settore degli accumulatori, geopolitica e ricerca tecnologica stanno solo iniziando a riscaldarsi e non è da escludere che le batterie giocheranno un ruolo paragonabile a quello del petrolio che ha caratterizzato (e determinato) in maniera così incisiva la storia moderna che tutti conosciamo. 

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