Quali batterie per accumulo ci aspettano in futuro?

Riciclo batterie al litio: cosa succede dopo che la batteria ha raggiunto la fine del suo ciclo di vita? I moduli delle batterie possono essere riciclati? Oltre il 96 % dei materiali utilizzati in un modulo batteria può essere riciclato. Finora, le batterie al litio sono state per lo più bruciate al termine del loro ciclo di vita e sottoposte ad un processo di frantumazione per recuperare alcune materie prime, come il cobalto, il nichel e il rame. Ora però sta prendendo piede un nuovo metodo operativo, il processo meccanico idrometallurgico. Ecco come funziona:

1. Il modulo della batteria viene sottoposto a frantumazione
2. Le materie prime vengono separate attraverso diversi e complessi processi di selezione

Il nuovo metodo operativo è ormai collaudato e adatto ad essere utilizzato su scala industriale. Diverse aziende lo stanno già adottando con successo e addirittura una casa automobilistica tedesca ha dichiarato di voler costruire un impianto di riciclaggio di 2.500 tonnellate di moduli di batterie adottando tale nuovo modello operativo. Ma questo dovrebbe essere solo l'inizio di un percorso evolutivo che andrà sempre più a migliorarsi.

Entro il 2030, almeno il 70% del totale dei moduli delle batterie dovrà essere riciclato, in base a quanto stabilito dal regolamento UE sulle batterie.

Ora analizzeremo più da vicino le celle delle batterie. La cella svolge un ruolo centrale sia per l'immagazzinamento che per il rilascio dell'energia. Principalmente, le celle delle batterie sono costruite in uno di questi modelli:

• Cilindriche (classiche celle rotonde)
• Prismatiche
• A sacchetto (dette anche celle "a coffee bag")

Ogni forma presenta vantaggi e svantaggi. La forma cilindrica, ad esempio, consente di ottenere una densità energetica volumetrica molto elevata a livello di celle e moduli. La sua forma circolare, tuttavia, non permette di sfruttare lo spazio in modo efficiente. In termini di densità energetica, la batteria a sacchetto compete con quella a forma cilindrica. L'utilizzo del volume nel suo caso è ottimale, ma la forma a sacchetto è molto flessibile, motivo per cui si gonfia quando è sotto pressione. Le celle delle batterie prismatiche hanno una bassa densità energetica, ma allo stesso tempo sono molto robuste.

Al momento, gli accumuli di energia elettrica nei sistemi stazionari sono disponibili principalmente con batterie agli ioni di litio (Li-ion). I sistemi agli ioni di litio sono facilmente scalabili, hanno una lunga durata, una ridotta necessità di manutenzione, un'elevata densità energetica, resistono alle alte/basse temperature e sono meno sensibili all'umidità rispetto ad altri sistemi di batterie. Per aumentare la sicurezza delle celle delle batterie agli ioni di litio ed evitare danni/rischi importanti, vengono integrati i seguenti elementi:

• Elemento PTC (Coefficiente di temperatura positivo): interrompe il contatto elettrico con la cella quando questa si riscalda e può impedire un ulteriore surriscaldamento della cella.
• Elemento CID (Current Interrupt Device): in caso di sovrapressione, interrompe il contatto elettrico con la cella.

Il tipo di batteria litio-nichel-cobalto-ossido di alluminio (NCA) è disponibile dalla fine degli anni Novanta. Questo tipo di batteria raggiunge una maggiore energia specifica e prestazioni elevate. Le batterie NCA necessitano di speciali meccanismi di monitoraggio nelle auto elettriche per garantire una maggiore sicurezza. La produzione di celle per batterie NCA è onerosa, nonostante il ridotto utilizzo di cobalto, e pertanto non è molto diffusa nell'industria automobilistica.

Le celle di batterie al litio e ossido di nichel-manganese-cobalto (NMC) possono essere prodotte con proprietà diverse, grazie alla possibilità di modulare la percentuale di nichel, manganese e cobalto. Meno cobalto significa costi minori. Una maggiore quantità di nichel aumenta la densità energetica. Una maggiore proporzione di manganese aumenta la potenza specifica. Questa flessibilità è il grande vantaggio di questo tipo di celle per batterie.

Le celle per batterie al litio ferro fosfato (LFP) offrono una maggiore sicurezza e densità di potenza. I gruppi di elementi utilizzati per la produzione delle celle hanno una maggiore disponibilità, il che rende il processo di produzione molto più semplice. Gli svantaggi sono un'autoscarica più accelerata e una densità energetica inferiore rispetto alle celle NCA e NMC. Ulteriori comparazioni:

Le prospettive di mercato di Greentech Media prevedono che la quota delle batterie NMC diminuirà e quella delle batterie LFP aumenterà:

Per quanto riguarda il mercato delle batterie, i segnali sono di crescita: solo nel 2022 sono state installate 214.000 unità di accumulo domestico e circa 3.900 unità di accumulo commerciale in più. Le stime prevedono una domanda per un totale complessivo di 2.035 GW nel 2030, grand parte della quale proverrà dal campo della mobilità elettrica.

Per soddisfare questa domanda in crescita, si stanno conducendo ricerche su alternative economiche e sostenibili alle batterie agli ioni di litio. Ecco un piccolo assaggio dei progetti in vista:

L'Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici IKTS ha fondato una joint venture. La tecnologia delle celle è denominata "Cerenergy". Questa nuova tecnologia è priva di litio, cobalto, grafite e rame. In questo modo è possibile arginare il problema della scarsità di materie prime e quello legato alla catena di approvvigionamento.

Secondo i ricercatori, i costi di produzione sono inferiori di circa il 40% rispetto a quelli delle batterie agli ioni di litio. I componenti principali della batteria Cerenergy sono il sale e/o le batterie Na/NiCl2 e Na/S. Le batterie Cerenergy ACB60 di nuova realizzazione hanno una durata maggiore e sono in grado di fornire l'energia immagazzinata per un periodo di tempo più lungo.

Nel 2023, il produttore cinese Contemporary Amperex Technology (CATL) presenterà una nuova batteria agli ioni di sodio (Na). Inizialmente, le batterie Na sostituiranno le batterie al piombo nelle auto a combustione, ma a medio o lungo termine saranno utilizzate anche nelle auto elettriche. Questa tecnologia colpisce per la sua velocissima capacità di ricarica e per la sua compatibilità, un aspetto fondamentale per le auto elettriche. CATL ha anche sviluppato una combinazione di celle agli ioni di litio e agli ioni di sodio. Essa è adatta alla tecnologia cell-to-pack del produttore e può essere utilizzata nelle auto elettriche prive di moduli batteria.

Un team internazionale di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti ha sviluppato batterie all'alluminio-zolfo. Oltre all'alluminio e allo zolfo, per immagazzinare l'energia viene utilizzato il sale di cloro-aluminato, che funge da materiale isolante. Numerosi test hanno dimostrato che questa tecnologia offre un'elevata velocità di ricarica. Inoltre, i costi sono pari a un sesto di quelli delle batterie agli ioni di litio. Ma il vantaggio più grande sarebbe: nessun rischio di incendio.

Di sicuro abbiamo fatto molta strada in termini di sostenibilità dei sistemi di accumulo. Se paragoniamo le tecnologie di estrazione delle risorse e quelle di riciclaggio odierne con quelle di qualche anno o decennio fa, vediamo che l'industria si è evoluta molto. In termini di realizzazione delle celle e di composizione chimica, abbiamo raggiunto uno standard molto elevato in termini di sicurezza e di prestazioni. In futuro avremo bisogno di un mix di diverse tecnologie per le batterie, in modo da poter offrire una soluzione adeguata per ogni applicazione.

• I sistemi a batteria stanno diventando sempre più sostenibili.
• Esistono 3 diversi design: cilindrico, prismatico e a sacchetto.
• Attualmente dominano le batterie agli ioni di litio, in particolare le celle NMC, NMA e LFP.
• Le alternative agli ioni di litio stanno diventando sempre più importanti.