In laboratorio, il litio è conservato in un vano portaoggetti perché reagisce con l'ossigeno, l'acqua e la CO2 nell'aria che ci circonda. La confezione contiene gas argon puro. Il contenuto di ossigeno e acqua nella scatola è di 0,1 parti per milione. Credito:Bax Lindhardt
Il rapido aumento delle vendite di auto elettriche sta causando una carenza di batterie. Per risolvere questo problema, dobbiamo migliorare nel riciclaggio delle materie prime utilizzate nelle batterie e accelerare lo sviluppo di nuovi tipi di batterie.
Sembra una conseguenza naturale della sua convinzione quando il professor Poul Norby guida la sua auto elettrica quasi in silenzio nel parcheggio del DTU Lyngby Campus mentre si dirige verso l'ufficio. Qui, la sua ricerca si concentra sulla creazione di conoscenze che possono aprire la strada a batterie migliori nelle auto, tra le altre cose.
"Secondo me, l'auto elettrica risolve molti più problemi di quanti ne crei", afferma il professore.
Lo stato ecologico delle auto elettriche è sempre stato molto dibattuto, in particolare perché la produzione di batterie per auto elettriche genera molta più CO2 rispetto alle batterie per auto convenzionali e l'estrazione delle loro materie prime è potenzialmente problematica.
Tuttavia, l'analisi del ciclo di vita di un'auto elettrica, dalla catena di montaggio al deposito di rottami, mostra che le auto elettriche in Danimarca emettono una quantità notevolmente inferiore di CO2 nel complesso rispetto alle auto a benzina o diesel. Inoltre, sono state messe in atto misure per garantire un'estrazione più ecologica a beneficio dei minatori e dell'ambiente.
Poul Norby è solo uno dei gruppi in crescita di persone che investono in un futuro senza fossili acquistando un'auto elettrica:secondo i dati dell'Agenzia internazionale per l'energia, l'anno scorso sono state vendute 6,6 milioni di auto elettriche in tutto il mondo. Questo è il triplo rispetto a due anni prima. Infatti, il numero medio di auto elettriche vendute in una sola settimana nel 2021 è stato pari al numero totale di auto elettriche vendute nell'intero 2013.
Questo rapido aumento delle vendite sta portando a una carenza di batteria. In parte perché sarà difficile estrarre materie prime come cobalto, litio, nichel e grafite, che attualmente sono spesso utilizzate nelle batterie, in modo sufficientemente rapido e responsabile. E in parte perché è probabile che la domanda di batterie superi la capacità di produzione per un periodo di tempo.
Pressione sulle materie prime
In uno studio dell'aprile di quest'anno, i ricercatori della KU Leuven in Belgio hanno stimato che per raggiungere l'obiettivo di diventare climaticamente neutri entro il 2050, l'Europa avrà bisogno di 36 volte più litio e più di quattro volte più cobalto di quanto ne abbia oggi. Questo creerà una battaglia per le risorse.
Secondo Poul Norby, un modo per alleviare gli inevitabili colli di bottiglia è sviluppare nuovi e migliori tipi di batterie che utilizzino meno materie prime che saranno più richieste.
La sfida dell'approvvigionamento, tra le altre cose, accelererà il lavoro per trovare alternative alle batterie agli ioni di litio utilizzate oggi nella maggior parte delle auto elettriche e che sono ancora costituite per circa il 10% da cobalto, nonostante gli sforzi per ridurne la quantità.
In laboratorio, Poul Norby può, tra le altre cose, misurare quali composti gassosi si formano in diverse batterie. Credito:Bax Lindhardt
Sono già state condotte ricerche approfondite per trovare alternative al cobalto, sostituendolo, tra le altre cose, con ferro o manganese. Questo porta il professore a fare una previsione audace:
"Tra cinque anni non ci sarà cobalto nelle nostre batterie agli ioni di litio. Questa è un'affermazione molto audace, ma è dove siamo diretti, perché il cobalto è problematico in tanti modi."
Processo di sviluppo più rapido
Il peso, le prestazioni e il prezzo della batteria giocano un ruolo importante nel determinare se qualcosa è un'alternativa interessante alla popolare batteria agli ioni di litio. I primi due parametri aiutano a garantire che le auto elettriche possano durare il più a lungo possibile con una sola carica.
Insieme a numerosi colleghi del DTU, Poul Norby fa parte del progetto di ricerca sulle batterie più grande e costoso dell'UE fino ad oggi, il BIG-MAP. Il loro compito è sviluppare un processo efficiente per valutare quali materiali siano buoni candidati per lo sviluppo di batterie nuove ed efficienti, non solo per l'uso nelle automobili, ma per la transizione verde in generale.
"Creando un processo efficiente per lo sviluppo, il test e la valutazione di nuovi materiali, possiamo aumentare notevolmente la velocità del processo di sviluppo dei materiali. Quindi, stiamo combinando la modellazione teorica con il lavoro sperimentale e creando un processo di apprendimento automatico autonomo che ci consente di valutare continuamente e decidere quale strada seguire", afferma.
Il loro lavoro fornisce conoscenze fondamentali sui materiali che hanno un uso reale o potenziale come materiali nuovi o esistenti. Per molti versi, è il passaggio che precede lo sviluppo di nuove batterie, ma è un passaggio essenziale per evitare di lavorare su idee che alla fine si rivelano inefficaci.
Fase di sviluppo successiva
Secondo Poul Norby, il prossimo passo nello sviluppo di nuove batterie sono le batterie a stato solido. A differenza delle attuali batterie agli ioni di litio, l'elettrolita (cioè il collegamento tra i poli positivo e negativo della batteria) è solido anziché liquido ed è costituito da vetro, minerali o polimeri.
Diverse importanti case automobilistiche hanno investito molto nello sviluppo di batterie allo stato solido, che dovrebbero essere più ignifughe, caricarsi molto più velocemente e contenere il doppio dell'energia delle batterie agli ioni di litio oggi disponibili. Diversi marchi automobilistici hanno annunciato che prevedono di avere una batteria utilizzabile a stato solido pronta entro il 2025.
Secondo Poul Norby, il sogno finale è quello di avere una batteria al litio-aria con una densità di energia vicina a quella dei combustibili fossili e che non richieda cobalto:
L'unica batteria ricaricabile a stato solido disponibile in commercio sul marchio viene utilizzata nella microelettronica. Fornisce alimentazione al dispositivo quando non è collegato a una presa di corrente. Qui in laboratorio, è montato in un dispositivo che consente ai ricercatori di condurre la diffrazione dei raggi X mentre la batteria si carica e si scarica. Credito:Bax Lindhardt
"I vantaggi dello sviluppo di una batteria al litio-aria sono sempre stati enormi, ma arrivarci è incredibilmente difficile. Se non fosse per gli enormi vantaggi che possiamo ottenere, nessuno ci proverebbe mai."
Combinando i calcoli con il lavoro sperimentale, i ricercatori della DTU hanno dimostrato che, in teoria, è possibile realizzare una batteria al litio-aria. Tuttavia, finora si sta rivelando molto difficile ottenere un'efficienza energetica, una velocità di ricarica e una durata sufficienti.
"Questo è sicuramente qualcosa che potrebbe rivoluzionare la tecnologia delle batterie, ma è molto lontano, se possibile", afferma.
Nuova vita per le vecchie batterie
Anche il ricircolo svolgerà un ruolo importante nel prevenire una carenza di materie prime a lungo termine. Il suddetto studio KU Leuven stima che se l'Europa investe molto ora, il continente sarà in grado di coprire il 40-75% del fabbisogno di materie prime per la transizione verde solo attraverso il riciclaggio.
"Il dibattito pubblico lascia l'impressione che il ricircolo inizi qui e ora, ma non è vero. I materiali delle batterie sono stati riciclati per molto tempo. Finora è stato difficile e costoso, ma lo sviluppo di metodi di riciclaggio più economici ed efficienti si sta muovendo veloce", afferma Poul Norby.
I dati del Parlamento europeo mostrano che nel 2019 il 51% delle batterie portatili vendute nell'UE è stato raccolto per il riciclaggio, ma i politici dell'UE stanno lavorando per adeguare le regole per garantire un livello più elevato di riciclaggio, comprese le batterie dai depositi e le auto elettriche.
"Praticamente tutti i materiali delle batterie dovranno essere riciclati in futuro, anche se non è redditizio", afferma il professor Norby.
Tesla e Volkswagen riferiscono di poter già riciclare oltre il 90% dei materiali delle proprie batterie. Naturalmente il processo di riciclaggio è innegabilmente più facile quando si tratta di smontare batterie da 500 kg e di smistarle in pile di materie prime utilizzabili rispetto a quando si maneggia una miscela di batterie più piccole, ad esempio telefoni cellulari e laptop, che contengono diversi tipi di metalli in vari importi.
"Ora avremo queste grandi batterie dove saprai esattamente cosa contengono, come sono state trattate e di cosa sono fatte. Ciò rende anche molto più facile smontarle", afferma Poul Norby.
Ci sono anche altri modi per pensare al ricircolo delle batterie delle auto elettriche:quando la capacità di carica diventa troppo scarsa per poter essere utilizzate nelle auto, le batterie possono essere utilizzate per altre cose, come immagazzinare energia in piccoli impianti solari locali. Una pila di batterie usate può formare un'unità di stoccaggio locale per 10-15 anni prima che sia necessario smontare le batterie e utilizzare nuovamente le materie prime.
Prolungando la vita delle batterie in questo modo, possiamo anche guadagnare tempo per lo sviluppo di modi più economici e migliori per riciclare le materie prime. + Esplora ulteriormente
