Le batterie ricaricabili per la transizione energetica: presente e futuro del litio. Tipi, caratteristiche, criticità e innovazioni

L’obiettivo europeo di raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, definito Green Deal, implica una transizione energetica verde, che punta sull’energia elettrica pulita, dai trasporti all’edilizia, alle energie rinnovabili, sistemi di stoccaggio dell’energia come le batterie saranno fondamentali per immagazzinare l’energia necessaria alla decarbonizzazione dell’economia e all’emancipazione dai combustibili fossili, come petrolio, gas e carbone.

Si sperimenta molto nel campo delle batterie, per migliorarne l’efficienza, la capacità di accumulo, e soprattutto la sostenibilità delle materie prime necessarie alla loro fabbricazione. Oggi il mercato è dominato dalla batteria al litio, ma si stanno affacciando nuove tecnologie come le batterie allo stato solido e quelle al sale (ioni di sodio), che presto rivoluzioneranno il mondo intero. Tra pochi anni grazie alla ricerca saranno abbastanza mature e stabili da poter invadere ogni settore economico, elettrificando l’intera economia. E c’è Planckian, una Startup tutta italiana che sta lavorando al progetto di una batteria quantistica in grado di caricarsi quasi istantaneamente che, se avrà successo, cambierà il mondo.

Tralasciando le batterie tradizionali – e superate – come accumulatori al piombo e a base di nichel e, fintanto che le tecnologie più innovative e promettenti come le batterie al sale e allo stato solido non saranno abbastanza mature, oggi lo standard è la batteria agli ioni di litio (Li-Ion). Ma le materie prime necessarie come nichel, cobalto e litio hanno diverse criticità: sono e saranno sempre più oggetto di contese e lotte politiche globali per accaparrarsene le scarse risorse a disposizione.

L’ultimo G7 di Torino, concluso il 30 aprile 2024, ha ribadito che “la tecnologia chiave per la decarbonizzazione dei trasporti su strada è l’elettrico”. È utile ricordare, infatti, che il settore dei trasporti è responsabile di circa un quarto delle emissioni totali di CO2 in Europa. E, la batteria è il cuore di un’auto elettrica. È perciò necessario creare un quadro normativo armonizzato per gestire l’intero ciclo di vita delle batterie immesse sul mercato nell’Unione.

Lo stoccaggio dell’energia nell’era della transizione energetica

Lo stoccaggio dell’energia, sotto forma di batterie, è un’importante tecnologia abilitante per sostenere la transizione verso la green economy, uno dei fattori chiave per lo sviluppo sostenibile, la mobilità verde, l’energia pulita e la neutralità climatica. Le batterie forniscono energia ai veicoli elettrici (EV), nonché la flessibilità necessaria per tamponare l’intermittenza delle fonti di energia rinnovabile negli impianti domestici e di rete (fotovoltaico e agrivoltaico, eolico, comunità energetiche).

In sintonia con l’evoluzione normativa energetica, si prevede che la domanda di batterie crescerà rapidamente nei prossimi anni, in particolare per i veicoli elettrici per il trasporto su strada, il che renderà il mercato delle batterie sempre più strategico a livello mondiale. Sarà perciò necessario stabilire norme più certe sulla sostenibilità, le prestazioni, la sicurezza, la raccolta, il riciclaggio e la seconda vita delle batterie, nonché sulle informazioni in materia di batterie per gli utilizzatori finali e gli operatori economici.

In attesa che la ricerca e sperimentazione dia i suoi frutti, ovvero che produca batterie che immagazzinano energia con un basso impatto ambientale, ridotto spreco di risorse e inquinamento, maggiore sicurezza e potenza, le batterie agli ioni di litio sono ancora la tecnologia migliore del momento, lo stato dell’arte dello stoccaggio energetico.

Una batteria è sostanzialmente costituita da pochi elementi: un elettrodo negativo (anodo) solitamente in grafite, un elettrodo positivo (catodo) che può essere costituito da vari minerali (cobalto, alluminio, ferro, manganese, litio) separati da un elemento barriera (separatore) e annegati in una soluzione salina o acida (elettrolita). Vediamone le origini ed evoluzioni nel tempo.

Breve storia della batteria

Nel 1798, il fisico Alessandro Volta costruisce la prima batteria della storia, detta “cella voltaica” o “pila voltaica“. Il meccanismo era semplice: una pila di dischi di rame e zinco accoppiati e separati tra loro da dischi di cartone imbevuti di una soluzione acida o salina (acqua e sale). In cima e ai piedi della pila, due fili di rame permettono il passaggio della corrente elettrica. L’elettrodo su cui avviene la riduzione (polo positivo della pila) è detto catodo, quello su cui avviene l’ossidazione (polo negativo) è detto anodo. Tuttavia, la batteria voltaica presentava un grande limite: non poteva essere ricaricata.

La cella di Volta si è evoluta nella cella Daniel (1836) che aveva due elettroliti, e poi nella cella Leclanche (1866) che utilizzava un anodo di zinco e un catodo di carbonio. L’attuale piccola cella a secco che utilizza un elettrolita alcalino, un anodo di zinco e un catodo di ossido di manganese non è stata inventata fino al 1949. Queste sono tutte celle primarie non ricaricabili, usa e getta.

Nel ricaricabile, in principio fu il piombo. La prima batteria ricaricabile fu creata in Francia nella metà del XIX secolo ed era a base di acido al piombo. Fino ad allora le batterie non potevano essere ricaricate. Nel 1859, Gaston Planté sviluppò la prima batteria ricaricabile al piombo-acido, che sarebbe diventata la base per le batterie al piombo moderne.

Le batterie ricaricabili, note anche come secondarie, si sono evolute nel corso degli anni dal piombo acido (1859) al nichel-cadmio (1899) e al nichel-metallo idruro o NiMH (metà degli anni ’80), fino agli ioni di litio (1977). Le batterie Ni-Cd sono state e sono ancora ampiamente utilizzate in dispositivi di consumo ad alta potenza, come attrezzi da giardinaggio, rasoi elettrici, ecc., e sono ancora utilizzate come batterie di avviamento per i motori aeronautici.

Nel 1958 Eveready produce il sistema di batteria ricaricabile nichel-cadmio (NiCd) e sviluppa le prime batterie alcaline cilindriche, rivoluzionando il mondo dell’energia.

Poi arrivò la rivoluzione del litio. Nonostante le prime batterie agli litio siano entrate in commercio solo nel 1991, il lavoro dei ricercatori cominciò circa vent’anni prima: alla fiera dei veicoli elettrici (EV) di Chicago nel 1977, fu esposta la prima batteria al litio ricaricabile Exxon. Per lo sviluppo di batterie agli ioni di litio, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino hanno vinto il Nobel per la Chimica 2019. “Le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato la nostra vita e sono utilizzate per tutto, dai telefoni cellulari ai laptop, ai veicoli elettrici. Attraverso il loro lavoro, i vincitori hanno gettato le basi per una società senza fili e senza combustibili fossili”, con queste parole l’Accademia reale svedese delle scienze (Kungliga Vetenskapsakademien), ne ha motivato la scelta.

Le batterie ricaricabili

Le batterie ricaricabili sono parte integrante dei veicoli elettrici e dell’accumulo in rete delle energie rinnovabili prodotte dal sole e dal vento. In base al metallo principale che le compone, le batterie possono distinguersi, nelle seguenti 3 macrocategorie:

• Batterie al piombo
• Batterie a base di nickel
• Batterie a base di litio

Le batterie al piombo sono le tipiche batterie per l’avviamento elettrico delle autovetture. Le batterie al litio hanno sostituito nella gran parte delle applicazioni quelle al piombo e a base di nickel, portatrici di maggiori criticità ambientali e, oggi, rappresentano lo standard attuale delle batterie in una vasta gamma di applicazioni tecnologiche, dalle auto e bici elettriche ai monopattini fino dispositivi portatili come cellulari, ipad, notebook, etc.

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono lo stato dell’arte, lo standard attuale degli accumulatori: vengono utilizzate in molti prodotti quali dispositivi elettronici, giocattoli, cuffie wireless, utensili elettrici portatili, piccoli e grandi elettrodomestici, veicoli elettrici e sistemi di accumulo dell’energia elettrica. Il possedere un’elevata energia e densità di potenza le rende poliedriche, adatte per applicazioni leggere, sia per il trasporto che per applicazioni stazionarie.

Le batterie al litio: tipi e caratteristiche

In attesa che la ricerca dia nuovi frutti, sul campo delle batterie al sale e allo stato solido, quelle attualmente più performanti e diffuse sono le batterie agli ioni di litio (Li-Ion): cellulari, pc, monopattini, biciclette, auto, accumulo delle energie rinnovabili. Tra i motivi del suo successo, costo contenuto, elevata capacità di immagazzinare energia (fino a 250 Wh/kg), buona stabilità, sicurezza e longevità. Questo, a fronte della criticità delle materie prime necessarie per la sua realizzazione. Di recente, ai tre chimici che hanno inventato e perfezionato la batteria al litio, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, è stato assegnato il Premio Nobel per la Chimica 2019.

Esistono due tipi di batterie al litio che i consumatori utilizzano:

1. batterie al litio metallico: monouso o non ricaricabili (utilizzate in prodotti quali fotocamere, orologi, telecomandi, giochi portatili e rilevatori di fumo);
2. batterie agli ioni di litio (Li-Ion) ricaricabili

Noi tratteremo esclusivamente le batterie ricaricabili. Le batterie agli ioni di litio hanno un’elevata densità di energia, un piccolo effetto memoria e una bassa autoscarica. Mantengono più a lungo la carica e sono inoltre più leggere rispetto ad altri tipi di batterie ricaricabili di pari dimensione.

Le attuali batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li-Ion), in base ai metalli utilizzati per il catodo (l’anodo è generalmente in grafite), si distinguono in:

• NMC – Nichel manganese e cobalto
• NCA – Nichel cobalto e alluminio
• LFP – Litio ferro e fosfato
• LCO – Ossido di litio cobalto
• LMO – Ossido di litio manganese
• LTO – Litio titanato

La scelta della batteria giusta dipende dalla combinazione di densità di energia, durata del ciclo, costi e sicurezza. Ciascuna composizione chimica del catodo offre infatti vantaggi e svantaggi in termini di costi, densità di energia, densità di potenza e prestazioni in termini di durata del ciclo.

Le batterie NMC (Nickel-Manganese-Cobalto)

Le batterie NMC (catodi di ossido di nichel, manganese e cobalto) sono uno dei sistemi agli ioni di litio di maggior successo. Inizialmente costituite da parti uguali di nichel (33%), cobalto (33%) e manganese (33%) – note come NMC111 o NMC333 – nel tempo la sua formula è stata rivista per diminuire la concentrazione di cobalto, a causa delle sue criticità ambientali. Sono così nate la NMC 622 (60% nickel, 20% manganese, 20% cobalto) e la NMC 811 (80% nichel, 10% manganese e 10% cobalto).

La miscela di buone proprietà ha attirato l’attenzione dei produttori di veicoli elettrici, come BMW, Chevy e Nissan, che li utilizzano nelle loro auto: per il settore automobilistico, sono quelle che vanno attualmente per la maggiore. Le batterie al litio NMC sono utilizzate anche in laptop, smartphone e altri dispositivi elettronici mobili. A seconda di dove e come vengono utilizzate, le celle della batteria possono avere una varietà di tipi di forme diverse, come celle cilindriche, prismatiche e a sacchetto.

Ricapitolando, a seconda del peso dei singoli metalli, si distinguono tre tipologie di batteria NMC:

• NMC 111 (Nickel 33.3% – Manganese 33.3% – Cobalt 33.3%)
• NMC 622 (Nickel 60% – Manganese 20% – Cobalt 20%)
• NMC 811 (Nickel 80% – Manganese 10% – Cobalt 10%)

L’evoluzione della ricerca va nella direzione di ridurre l’uso dei metalli considerati critici, come il cobalto che deriva perlopiù dalle miniere del Congo e la sua estrazione causa gravi criticità ambientali (è l’elemento più problematico a causa della volatilità dei prezzi, della catena di approvvigionamento e dell’estrazione mineraria). Dalla batteria NMC111, ormai superata, si è arrivati alla recente NMC811 che riduce l’uso del cobalto dal 33 al 10%.

Le batterie NCA (Nickel-Cobalto-Alluminio)

La batteria NCA (Nickel, Cobalto, Alluminio), implementata per la prima volta nei veicoli elettrici da Tesla (che l’ha brevettata nel 2020), ha la stessa struttura della NMC, tranne per il manganese che è sostituito dal più economico e comune alluminio (aggiunto all’ossido di litio e nichel).

Grazie a questa chimica (nickel-manganese-cobalto) si riesce ad avere un’elevata energia specifica (può arrivare fino a 240 Wh/kg). Chiaramente, per un’auto è un vantaggio competitivo determinante, in quanto consente di immagazzinare tanta energia con peso e volume contenuti, permettendo di installare più energia a bordo veicolo rispetto ad altre tecnologie a base litio. Tuttavia, sicurezza e costi sono meno lusinghieri: richiedono speciali misure di monitoraggio della sicurezza da adottare per l’uso nei veicoli elettrici e sono anche più costosi da produrre.

Le batterie LFP (Litio-ferro-fosfato)

Le batterie LFP (litio, ferro, fosfato), sono le batterie al litio più sostenibili e a basso impatto ambientale. Sviluppate a partire dagli Anni ’90, suscitarono interesse per una serie di motivi: avevano bassi costi, erano atossiche e usavano ferro, materiale molto comune. Però avevano una bassa conduttività elettrica e questo le rendeva inadatte a numerose applicazioni. Lavorando sull’architettura interna e rivestendo i catodi – a base di litio, ferro e fosfato – con vari materiali conduttivi, si riuscì a superare questo ostacolo e a migliorarne le prestazioni.

Tendenzialmente meno costose e più sostenibili (non contengono metalli critici come cobalto e nichel) hanno tuttavia una densità energetica inferiore delle NCA e NMC: per avere la stessa autonomia devono quindi essere più grandi, pesanti e voluminose.

Oltre a vantaggi di tipo economico (si parla di 100 dollari al kWh in confronto con i 160 dollari al kWh delle batterie NMC) e di reperibilità delle materie prime già citati, le batterie LFP sono preferibili per altri motivi. Prima di tutto durano più a lungo. Spesso possono arrivare a superare i 10.000 cicli di carica e scarica senza compromettere eccessivamente le prestazioni (le batterie agli ioni di litio arrivano a circa 3.000 cicli). Poi sono anche più sicure, perché sono meno infiammabili e resistono meglio al calore.

Di contro, come già detto, le batterie LFP hanno una minore densità energetica rispetto a quelle NMC. Questo significa che devono essere più grandi e pesanti per garantire un’autonomia equivalente. Il divario però si sta assottigliando: dal 70% in meno del passato, ora si arriva al 20%. Di recente molti aziende stanno puntando su questa tecnologia, tra cui la cinese Svolt che ha annunciato la produzione di una batteria LFP con energia specifica di 220 Wh/kg e densità volumetrica di 503 Wh/l.

Oltretutto le batterie LFP hanno un voltaggio più basso (3,2 V contro 3,7 V) e si ricaricano più lentamente. Riguardo a quest’ultimo aspetto, però, ci sono prodotti di ultima generazione che stanno raggiungendo velocità di ricarica pari alle batterie agli ioni di litio “normali”.

Attualmente la Cina è la maggior produttrice e utilizzatrice di questo tipo di batterie nell’industria dell’auto. Ma, di recente, anche Tesla ha deciso di montarle sulla nuova versione della Model 3, al posto delle batterie NCA.

Le batterie LCO (Litio-Cobalto-Ossido)

In questa batteria, il catodo è un composto di ossido di litio e cobalto e l’anodo è un materiale di grafite/carbonio. Queste batterie presentano una bassa stabilità termica, durata di vita breve e capacità di carico limitate. I vantaggi risiedono nell’elevata tensione e nella buona densità di energia.

Le batterie LCO sono usate principalmente per alimentare prodotti elettronici di consumo portatili, come fotocamere digitali, telefoni cellulari e laptop. È probabile che la loro quota di mercato si riduca ulteriormente a causa di problemi etici e della catena di fornitura – legati all’uso del cobalto – e alla sua inidoneità per le applicazioni dei veicoli elettrici.

Le batterie LMO (Litio-Manganese-Ossido)

Le batterie LMO (Ossido di Litio e Manganese) sono competitive in termini di costi perché il manganese, componente dominante, è economico. A causa dell’abbondanza in natura dei suoi elementi costituenti, il basso impatto ambientale e l’elevato grado di sicurezza, la batteria LMO è stata studiata e proposto per sostituire il litio cobalto ossido, per batterie ad elevata densità di energia.

La struttura in ossido di litio e manganese forma una struttura di spinello tridimensionale. La struttura della cella garantisce una bassa resistenza interna e quindi tempi di ricarica rapidi, nonché stabilità termica e maggiore sicurezza. Tuttavia, hanno un’energia specifica e una densità energetica inferiori rispetto a LFP e NMC/NCA, cicli di vita limitati e una durata più breve.

Queste batterie erano parte primo veicolo elettrico a batteria (BEV) di successo sul mercato di massa (Nissan Leaf). Oggi, tuttavia, vengono utilizzate principalmente in piccoli dispositivi come biciclette elettriche, scooter elettrici o utensili elettrici, nonché in veicoli elettrici a bassa capacità e nella logistica dove l’attenzione è rivolta al basso costo.

Le batterie LTO (Titanato di litio)

Il titanato di litio sostituisce la grafite dell’anodo in una tipica batteria agli ioni di litio. I nanocristalli di titanato di litio, formandosi come anodo, forniscono una superficie più ampia, consentendo agli elettroni di entrare e uscire facilmente. Questo la rende una delle batterie a ricarica più rapida della categoria agli ioni di litio. Il materiale del catodo può essere ossido di litio e manganese o NMC. Fornisce una ricarica rapida e fornisce un’elevata corrente di scarica. Il ciclo di vita è superiore a quello di una normale ioni di litio.

Il Titanato di litio ha eccellenti caratteristiche di scarica a bassa temperatura e ha una buona capacità e prestazioni a -30°C. Hanno una tensione intrinseca inferiore e valori di energia effettiva inferiori rispetto alle tradizionali tecnologie al litio. Una tolleranza termica più sicura, le rende estremamente sicure per l’uso in veicoli elettrici ed e-bike con potenziale nei settori militare e aerospaziale.

Le materie prime della batteria al litio: metalli e minerali critici

Le batterie agli ioni di litio sono realizzate con materiali come litio, cobalto, nichel, manganese e grafite, considerati minerali critici. Sono considerate materie prime strategiche, che presentano elevati rischi di interruzione della fornitura, criticità ambientali e per le quali non esistono facili sostituti. Sia l’Europa che altri Paesi sono in corsa per accaparrarsene le risorse.

Prendiamo ad esempio il pacco batteria di un’auto elettrica. In funzione del tipo, contiene diversi kilogrammi di metalli: nichel, cobalto, litio, manganese, grafite. E rame, acciaio, alluminio, ferro.

Sono i cosiddetti minerali critici o materie prime critiche. Da una parte sono scarsi e difficili da estrarre in natura, dall’altra hanno un impatto ambientale, economico e sociale altissimo. 

Molte sfide legate alla filiera delle batterie sono infatti legate all’estrazione e alla lavorazione di cinque minerali utilizzati in molte delle principali batterie per veicoli elettrici (EV) di oggi: litio, nichel, cobalto, manganese e grafite. A causa della loro crescente importanza che li pone attualmente ai vertici della transizione energetica promossa dall’Europa con il Green Deal, sono stati inseriti nella lista dei minerali critici dall’UE, Stati Uniti, e molti altri Paesi.

Sebbene infatti tutto quello che c’è nella batteria possa essere riciclato, affinché sia conveniente e funzionante occorrono alcuni anni, che si arrivi a fine vita delle batterie, alla rottamazione di migliaia di auto elettriche. Nel frattempo occorre reperire le materie prime estraendole dalle miniere.

Estrazione e controllo delle materie prime critiche

In questo panorama non è difficile immaginare come l’estrazione ed il controllo delle materie prime critiche ha ed avrà un ruolo sempre più cruciale negli equilibri geopolitici globali. Attualmente la Cina è il maggiore fornitore delle materie prime critiche. Anche altri paesi sono importanti fornitori globali di materiali specifici. Ad esempio, la Russia e il Sud Africa sono i maggiori fornitori globali di metalli del gruppo del platino, l’Australia di litio, gli Stati Uniti di berillio ed elio e il Brasile di niobio.

Seppur l’Europa importa la gran parte delle materie prime, vale la pena ricordare che estrae il 34% della fornitura globale di stronzio in Spagna e il 14% di feldspato in Italia, Spagna, Francia, Repubblica Ceca, Germania e altri. L’UE inoltre trasforma e raffina il 17% del cobalto in Finlandia, Belgio e Francia e detiene la quota maggiore a livello mondiale di grafite naturale, con oltre un quarto delle riserve globali, principalmente in Turchia.

È improbabile che la distribuzione geografica dell’estrazione mineraria cambi in modo significativo nel breve termine. Tuttavia, se si confronta l’attuale produzione mineraria con le riserve minerarie (le risorse che potrebbero essere estratte), sembra esserci un significativo potenziale non realizzato per la diversificazione dell’estrazione a lungo termine.

In particolare, l’Australia, già il più grande produttore di litio, detiene le maggiori riserve di nichel, insieme all’Indonesia, con il 22% delle riserve globali. Tuttavia, l’Australia produce solo il 6% dell’attuale produzione globale. L’Australia ha anche le seconde riserve più grandi di cobalto con quasi il 20%, mentre rappresenta solo il 3% della produzione attuale.

Attualmente la Cina domina l’intera catena di fornitura delle batterie per veicoli elettrici. Tre quarti della capacità produttiva delle celle delle batterie si trova in Cina, lo stesso vale per la produzione specializzata di materiali catodici e anodici, per i quali la Cina rappresenta il 70% della produzione di catodi e anodi e l’85% della capacità produttiva globale di materiale anodico. Oltre la metà della lavorazione globale delle materie prime litio, cobalto e grafite avviene anche in Cina. L’Europa, sebbene produce oltre un quarto dei veicoli elettrici, detiene ben poco del resto della catena di approvvigionamento.

La ripartizione geografica in tabella si riferisce al paese in cui avviene la produzione dei componenti per batterie. Sebbene l’Indonesia produca circa il 40% del nichel totale, e il Congo oltre il 60% del cobalto, loro non partecipano alle successive fasi di lavorazione, come la raffinazione del materiale o la produzione di celle, batterie e veicoli elettrici in generale. Della materia prima estratta ne beneficiano i Paesi industrializzati. A loro resta la devastazione umana, ambientale e sociale di un’estrazione selvaggia e incontrollata. È il costo ambientale e sociale della transizione energetica, il male necessario che alcuni Paesi devono pagare affinché altri possano inquinare meno e vivere meglio?

Costo ambientale e sociale delle materie per batterie

I materiali delle batterie celano elevati costi ambientali e sociali: l’estrazione di materie prime come litio, cobalto e nichel richiede molta manodopera, sostanze chimiche ed enormi quantità di acqua, spesso proveniente da aree in cui l’acqua scarseggia, e può lasciare dietro di sé contaminanti e rifiuti tossici. Oltretutto spesso i lavoratori operano in totale assenza delle basilari misure di igiene e sicurezza, economicamente sfruttati e sottopagati, sovente minorenni e bambini.

È quanto accade in Congo, da dove proviene oltre il 60% del cobalto mondiale: oltre a problematiche di salute e sicurezza per i lavoratori, è ampio il fenomeno delle violazioni dei diritti umani, come il lavoro minorile dei bambini (40.000 secondo l’Unicef). Idem in Indonesia, che possiede una delle maggiori miniere di nichel al mondo: oltre alla deforestazione selvaggia, per produrre l’energia necessaria alla lavorazione bruciano carbone inquinando enormemente (ogni tonnellata di nichel estratto emette nell’aria 58 tonnellate di CO2).

È il prezzo della sostenibilità o paradosso ambientale della transizione energetica. Green Hypocrisy, la definisce Report il programma di approfondimento condotto da Sigfrido Ranucci su Raitre, nella puntata del 19 novembre scorso.

Costi delle batterie al litio

Meno componenti rispetto ad un veicolo a combustione, equivale ad una maggiore economia di gestione e, se non fosse per i costi ancora elevati della batteria, un’auto elettrica costerebbe certamente meno. Ma la tendenza dei prezzi delle materie prime, in costante e inesorabile discesa, traina anche l’intero pacco batteria: in appena dieci anni, dal 2010 al 2020, il prezzo è crollato di quasi dieci volte, da 1.000 dollari/kWh a poco più di 100.

Come riporta il Sole24ore, i prezzi dei metalli per batterie come litio, nickel e cobalto, dopo un’impennata nel 2022, nel 2023 sono tornati a scendere, complice il rallentamento delle vendite delle auto elettriche e delle visioni politiche: l’offerta è in questo momento assai maggiore della richiesta del mercato. Il litio (Li) ha toccato il prezzo record al ribasso di 139 dollari/kWh al 2023 (BloombergNEF) da 780 di dieci anni prima.

Sebbene le batterie al litio possano ancora diminuire di prezzo, i maggiori risparmi nel futuro si avranno nel superare questa tecnologia, a favore di sistemi di accumulo che utilizzano materie prime facilmente reperibili, diffuse e a basso impatto ambientale.

Rifiuti e riciclo: l’economia circolare delle batterie in UE

Si prevede che la domanda di batterie aumenti di oltre dieci volte entro il 2030. L’UE ha adottato un regolamento sulle batterie al fine di creare un’economia circolare per il settore concentrandosi su tutte le fasi del ciclo di vita delle batterie, dalla progettazione al trattamento dei rifiuti. Questa iniziativa riveste grande importanza, in particolare in considerazione del massiccio sviluppo della mobilità elettrica.

Il nuovo regolamento sulle batterie entrato in vigore il 17 agosto 2023 adottato nel 2023 sostituisce la direttiva sulle batterie del 2006 attualmente in vigore. Mira a promuovere un’economia circolare e garantire che le batterie vengano raccolte, riutilizzate e riciclate nell’UE. A partire dal 2027, i consumatori potranno rimuovere e sostituire le batterie portatili dei propri prodotti elettronici in qualsiasi momento del ciclo di vita.

La nuova proposta della Commissione sui requisiti di sostenibilità per le batterie modernizzerà il quadro legislativo dell’UE al fine di raggiungere tre obiettivi:

• rafforzare la competitività del mercato interno delle batterie dell’UE,
• aumentare la resilienza della catena di approvvigionamento delle batterie dell’UE chiudendo il ciclo dei materiali,
• ridurre l’impatto ambientale e sociale in tutte le fasi del ciclo di vita delle batterie.

Un ecosistema di batterie resiliente e tecnologicamente sovrano in Europa richiede l’accesso alle catene di approvvigionamento e quindi alle materie prime e ai componenti, nonché alle capacità di produzione delle celle. Le attuali strategie per ridurre la dipendenza dalle materie prime – attraverso l’estrazione del litio in Europa, l’espansione delle capacità di riciclaggio e la riduzione dei rifiuti durante la produzione – possono ridurre le dipendenze esistenti in futuro, ma possono risolvere solo parzialmente il problema, soprattutto in considerazione del significativo aumento della domanda. In questa direzione, l’Italia ha da poco approvato il 20 giugno il decreto legge sulle materie prime critiche.

Ma l’Europa non potrà mai essere autosufficiente: le tecnologie alternative e sostenibili delle batterie possono aiutare in questo caso. Vediamo le batterie di futura generazione che le ricerche stanno partorendo.

Sostenibilità e prospettive future delle batterie

Le batterie al litio, saranno presto sostituite da nuove e più sostenibili tecnologie, che possono da una parte superare i limiti di stoccaggio, dall’altra le criticità ambientali dei materiali costituenti. Oltretutto, è utile ricordare che alcune componenti degli attuali accumulatori, come leganti, guarnizioni e membrane, contengono una tipologia di pericolosi PFAS: i Fluoropolimeri, plastiche ad alte prestazioni, il più noto dei quali è il famigerato Teflon. È quindi in corso un importante sforzo di investimento e ricerca per sviluppare nuove sostanze chimiche basate su materie prime abbondanti e non critiche a basso impatto ambientale.

Un rapporto del Fraunhofer ISI esamina il ruolo che le tecnologie alternative delle batterie al litio possono svolgere da una prospettiva tecnica, economica ed ecologica per il periodo fino al 2045. L’attenzione qui è sulle batterie tecnologie che sono prevalentemente ancora in fase di sviluppo e quindi non ancora diffuse sul mercato. Si tratta in particolare di batterie a ioni metallici, metallo-zolfo, metallo-aria e a flusso redox. Ma le più promettenti paiono essere le batterie al sale, allo stato solido e quelle quantistiche.

Soprattutto la batteria agli ioni di sodio sembra particolarmente promettente: il settore ha accelerato molto negli ultimi mesi. In Cina è già partita la produzione di auto elettriche: a gennaio 2024, il marchio Yiwei ha presentato il primo veicolo elettrico compatto prodotto in serie al mondo con batterie al sale. In Europa, nel novembre 2023, il produttore svedese Northvolt ha sviluppato una batteria agli ioni di sodio per uso stazionario da 160 Wh/kg a cui seguiranno applicazioni mobili. A causa della loro densità energetica relativamente bassa, le batterie agli ioni di sodio possono essere utilizzate come alternativa alle batterie al litio ferro fosfato. Rispetto alle batterie LFP hanno una densità energetica e una durata di ciclo leggermente inferiori, ma offrono vantaggi in termini di maggiore sicurezza, migliori prestazioni alle basse temperature e costi minori dovuti al sale facilmente reperibile.

Le batterie allo stato solido (SSB) si distinguono dalle altre batterie per la mancanza di un elettrolita liquido, il loro potenziale di immagazzinare molta più energia per qualsiasi volume specifico e miglioramenti in termini di sicurezza dato che l’elettrolita allo stato solido utilizzato non è infiammabile. Avere un elettrolita solido anziché liquido permette di usare un anodo in litio metallico anziché in grafite, superandone così i limiti di stoccaggio attualmente vigenti con le batterie agli ioni di litio. Maggiore densità di energia equivale a batterie più piccole e leggere, maggiore stabilità e proprietà meccaniche migliori delle batterie al litio.

Sono altresì in sviluppo le Vanadium Flow Batteries (VFB), che utilizzano ioni di Vanadio: hanno altissimo numero di cicli e grande capacità di stoccaggio. Tuttavia, hanno una densità energetica inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio e la loro diffusione è frenata dagli elevati costi iniziali.

Ricordiamo che oltre alle batterie, altra tecnologia fondamentale per raggiungere la neutralità climatica entro la metà del secolo è l’accumulo dell’energia per produrre idrogeno. L’idrogeno può alimentare

settori che non sono adatti all’elettrificazione, come il trasporto marittimo o i veicoli pesanti a lunga percorrenza, e fornire stoccaggio a lungo termine per bilanciare la variabilità dei flussi di energia rinnovabile. In un sistema energetico integrato, l’idrogeno può sostenere la decarbonizzazione dell’industria, dei trasporti, della produzione di energia e degli edifici in tutta Europa.

Senza dimenticare che la prevenzione anche in questo caso resta la migliore strategia: riducendo il fabbisogno energetico, ci sarà bisogno di un numero minore di batterie e quindi di materie prime critiche. Ad esempio, nel settore edilizio puntando a contenere i consumi per il riscaldamento e raffrescamento delle abitazioni, isolando pareti e tetto degli edifici (nZEB e passivi) e rivolgendosi a infissi performanti (doppio/triplo vetro e bassoemissivi). Magari approfittando, per gli interventi edilizi, degli incentivi disponibili quali Ecobonus e Bonus Ristrutturazioni. Nel settore dei trasporti occorre favorire la mobilità sostenibile, riducendo l’uso dell’auto privata a favore dei mezzi pubblici. E, dove possibile, muoversi a piedi o in bicicletta.

Per approfondire:

• Report, Green Hypocrisy, 19 novembre 2023
• Commissione Europea, Determining the environmental impacts of conventional and alternatively fuelled vehicles through LCA, 2020
• Commissione Europea, Study on the Critical Raw Materials for the EU, 2023
• Fraunhofer ISI, Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+, 2023
• Girardi P., Gargiulo A. & Brambilla P.C., A comparative LCA of an electric vehicle and an internal combustion engine vehicle using the appropriate power mix: the Italian case study, Int J Life Cycle Assess 20, 1127–1142 (2015)
• Guillemin, El mundo fisico: gravedad, gravitación, luz, calor, 1882
• Del Pero, Delogu, Marini, Life Cycle Assessment in the automotive sector: a comparative case study of Internal Combustion Engine (ICE) and electric car, 2018
• Edison T. A., Reversible Galvanic Battery, US patent no. 692,507, 1902
• EEA, Electric vehicles from life cycle and circular economy perspectives, 2018
• Hyung Chul Kim et al., Cradle-to-Gate Emissions from a Commercial Electric Vehicle Li-Ion Battery: A Comparative Analysis, 2016
• IEA, Global Supply Chains of EV Batteries, 2022
• Mizushima et al., A new cathode material for batteries of high energy density, 1980
• Planté G., Nouvelle Pile Secondaire d’une Grande Puissance, 1860
• Volta A., On the electricity excited by the mere contact of conducting Substances of different kinds, 1800
• Whittingham, History, Evolution, and Future Status of Energy Storage, 2012
• Whittingham, Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry, 1976

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