Ricaricato: il futuro delle batterie

Prima di preparare il caffè del mattino, colleghi la spina alla presa di corrente. Nel momento in cui il caffè è pronto, la carica dell'auto passa da zero a 100, pronta per centinaia di chilometri di viaggio, mentre ti rilassi e ti fai accompagnare ai tuoi incontri di lavoro. Questo scenario è una realtà incipiente, frutto delle recenti innovazioni tecnologiche nel campo delle batterie. Dai veicoli elettrici (EV) agli smartphone e ai sistemi di accumulo su larga scala, modifiche e alternative all'attuale modello di batteria leader, quello agli ioni di litio (Li-ion), stanno guadagnando terreno. 

Cosa ci riserva il futuro?
Esiste un elenco crescente di nuove tecnologie che potrebbero aprire la strada al futuro delle batterie, alcune più praticabili di altre. Un miglioramento delle batterie al litio è lo sviluppo delle cosiddette batterie agli ioni di litio a stato solido, le più promettenti delle quali sfruttano il grafene. Questa tecnologia offre una stabilità superiore, una maggiore durata di conservazione e velocità di ricarica notevolmente migliorate. Samsung ha annunciato lo sviluppo di una batteria al grafene che ha il potenziale di aumentare la capacità di quasi 501 TP7T e di aumentare la velocità di ricarica di 500 TP7T, fino a circa 12 minuti per una carica completa. Le implicazioni sono promettenti anche per il mercato dei veicoli elettrici, dove le batterie al grafene potrebbero offrire velocità di ricarica simili a quelle degli smartphone e un'autonomia di 500 km.
Una modifica innovativa delle attuali batterie al litio utilizza sabbia al posto della grafite per ottenere risultati tre volte migliori rispetto alle tradizionali batterie al litio. Grazie all'utilizzo della sabbia, sono anche significativamente più economiche da produrre e sono atossiche ed ecologiche.
Un'altra soluzione ecologica è l'acqua. Le batterie a flusso liquido utilizzano acqua a pH neutro per immagazzinare energia per lunghi periodi di tempo e possono anche essere utilizzate per generare energia. Un'azienda australiana sta lavorando per creare la batteria più grande del mondo utilizzando un lago naturale e un sistema di turbine e tunnel. Anche i produttori di smartphone vedono il potenziale nell'utilizzo di questa tecnologia per applicazioni su piccola scala.
Le batterie agli ioni di sodio sono un altro candidato degno di nota. Queste batterie al sale potrebbero essere fino a sette volte più efficienti delle loro controparti agli ioni di litio. Sebbene la commercializzazione sia ancora lontana forse un decennio, le batterie al sale potrebbero sostituire completamente le batterie al litio, poiché sarebbero molto più economiche da produrre e offrirebbero prestazioni migliori.
Altre tecnologie attivamente studiate e sviluppate per le batterie includono la fotosintesi, i nanofili d'oro, le celle a combustibile, le batterie solari, le batterie in schiuma e le batterie indossabili.

Qual è la situazione oggi?

Già maggiore acquirente di batterie agli ioni di litio, Tesla è sulla buona strada per diventare il maggiore produttore grazie alle Gigafactory Tesla. La prima, in Nevada, negli Stati Uniti, produrrà batterie agli ioni di litio, di cui Tesla necessita all'incirca dell'equivalente dell'attuale fornitura mondiale. La fabbrica è un progetto congiunto tra Tesla e la giapponese Panasonic e, entro il 2020, Tesla spera di produrre pacchi batteria a meno di $100 per kWh. Ridurre il costo delle batterie agli ioni di litio significa incentivare l'uso di fonti energetiche alternative e il CEO Elon Musk prevede di costruire molte altre Gigafactory nel prossimo futuro. Per la proposta Gigafactory Tesla in Europa, avrebbe preso in considerazione, tra gli altri, la Repubblica Ceca e la Finlandia.
Tra i fornitori di batterie più noti figurano Samsung e LG Chem, ma la Cina è subito dietro. A causa dell'entità della domanda prevista, dovuta all'evoluzione dei veicoli elettrici e dei sistemi di accumulo, la domanda di celle per batterie è stata senza precedenti. Negli ultimi tre anni, la capacità produttiva di celle per batterie è più che raddoppiata, in gran parte grazie alla produzione di celle in Cina, che detiene già una quota della produzione globale maggiore rispetto a quella del Giappone.
Un degno avversario si trova proprio nella Repubblica Ceca: HE3DA Ltd. Autoproclamatasi innovatrice nella ricerca applicata e nella commercializzazione delle tecnologie delle batterie, HE3DA sfrutta l'elevata velocità di carica e scarica delle batterie basate sulla nanotecnologia; dopo numerosi test, i ricercatori hanno trovato un modo per aumentare la sicurezza delle batterie e ridurre i costi di produzione di circa 1/20 rispetto alla norma attuale.
HE3DA ha collaborato con European Metals, che detiene i diritti di esplorazione nell'area del villaggio ceco di Cínovec. Il luogo è così ricco di litio che potrebbe rappresentare circa il 3% delle riserve globali di litio, rendendolo la più grande risorsa europea. Grazie alla sua vicinanza al confine con la Germania, alla lunga tradizione mineraria e all'alto tasso di disoccupazione, ha attratto molti produttori. Daimler, proprietaria di Mercedes-Benz, sta costruendo il suo secondo stabilimento per batterie al litio in una città tedesca a soli 90 km dal villaggio.

Guidare il futuro
La competizione per la batteria perfetta è più diffusa nel settore automobilistico. Secondo gli analisti, i veicoli elettrici rappresenteranno un'industria globale da 1,24 miliardi di dollari entro il 2040 e rappresenteranno fino a 40,7 miliardi di dollari di acquisti di veicoli a livello globale in 20 anni. Ciò significa che verranno venduti 40 milioni di veicoli elettrici all'anno, anche se il mercato automobilistico globale non dovesse registrare alcun incremento.
Attualmente, i veicoli elettrici funzionano principalmente con batterie ricaricabili agli ioni di litio. La loro elevata densità energetica garantisce una durata sufficiente per la maggior parte dei veicoli elettrici e stanno diventando sempre più convenienti. Tuttavia, le celle agli ioni di litio sono anche relativamente fragili, sensibili alla temperatura e, sebbene vantino una lunga durata, un graduale deterioramento può essere osservato quasi immediatamente, anche dopo zero utilizzo.
Una soluzione potrebbe essere quella di sostituire il fluido con un solido. L'elettrolita fluido negli attuali ioni di litio consente il passaggio delle particelle cariche. Anche alcuni solidi consentono questo flusso, ma non alla velocità necessaria per dispositivi ad alta potenza. Tuttavia, Toyota ha affermato che entro il 2020 lancerà un nuovo veicolo elettrico alimentato da una batteria al litio allo stato solido. Se questa forma solida di batteria dovesse concretizzarsi, eliminerebbe il rischio di incendio e aprirebbe le porte a un anodo completamente metallico, che offre una maggiore capacità energetica. Questo sarebbe rivoluzionario.
C'è anche l'ipotesi che il regno delle batterie finisca, con aziende come General Motors (GM), Toyota, Volkswagen e persino UPS che sviluppano veicoli elettrici alimentati a idrogeno, la cui autonomia per rifornimento supera quella di altri veicoli elettrici. L'idrogeno offre energia pulita, i cui unici prodotti finali sono calore e acqua. Un veicolo elettrico a celle a combustibile a idrogeno ha un motore elettrico, ma produce elettricità a bordo dall'idrogeno immagazzinato. Tuttavia, la raccolta dell'idrogeno è problematica: deve essere pressurizzato e immagazzinato in serbatoi molto più grandi di un serbatoio di benzina equivalente in termini di energia, ed è molto dispendioso in termini di tempo. Ulteriori progressi sono quindi indispensabili per far progredire questa tecnologia.