“La tecnologia delle batterie può essere la chiave di volta nel processo di transizione energetica, facilitando la decarbonizzazione dei trasporti e fornendo un sostegno per la produzione di energia solare ed eolica. Ma la batteria agli ioni di litio potrebbe non essere all'altezza del compito di portare il futuro nell'economia verde globale”.

Il politologo Ariel Cohen, in un articolo pubblicato su Forbes, riassume così difficoltà e prospettive della produzione di batterie odierna. La questione è quantomai centrale per il cammino della transizione energetica globale: senza batterie non c’è stoccaggio efficiente dell’energia – importante tanto per il settore automobilistico quanto per quello delle energie rinnovabili – e senza stoccaggio c’è spreco.

In America, il presidente Joe Biden si sta muovendo per rendere le batterie una componente essenziale del cammino statunitense verso la neutralità climatica, puntando più sulla produzione interna che sulle importazioni cinesi o coreane. Secondo un’indagine di Bloomberg, infatti, le aziende cinesi, tra cui Catl, Byd e Hefei Guoxuan High-Tech, producono il 79% delle batterie mondiali. I produttori americani, invece, si attestano a un esiguo 7%.

Il tipo di batteria più diffusa a oggi è quella a ioni di litio, a causa di vari fattori, tra cui basso costo, ampia disponibilità e prestazioni flessibili. Inoltre, gli ioni di litio vantano un'elevata densità di energia rispetto alle batterie a nichel-cadmio, e sono immuni al cosiddetto “effetto memoria” – un’anomalia di alcune batterie ricaricabili, in cui la tensione massima della batteria diminuisce, anche se la potenza rimane la stessa. Per queste ragioni, la maggior parte dei veicoli elettrici odierni utilizza batterie agli ioni di litio. Tesla, nello specifico, impiega una combinazione chimica di litio-nichel-cobalto-alluminio (Nca), mentre il resto dei veicoli elettrici usano il mix litio-nichel-manganese-cobalto (Nmc), prodotto dalle società coreane Lg Chem e Sk Innovation – coinvolte in una battaglia legale, con la prima che ha accusato la seconda di furto di proprietà intellettuale, ricevendo un indennizzo di 1,8 miliardi di dollari.

Sfortunatamente, però, la vita di queste batterie non è ancora particolarmente lunga, e può subire un deterioramento significativo nel corso del tempo. “Cinque anni di uso intensivo possono lasciare una batteria al 70-90% della capacità originale”, scrive sempre Ariel Cohen.

Per quanto riguarda i costi, secondo Bloomberg new energy finance, il prezzo di 101 dollari per chilowattora (kWh) è il livello in cui i veicoli elettrici saranno completamente competitivi rispetto ai motori a combustione interna. Questa soglia dovrebbe essere superata tra il 2023 e il 2025, ma rimangono dubbi sul fatto che i prezzi possano scendere oltre questa soglia. I costi delle batterie, comunque, hanno fatto molta strada: basti pensare che nel 2010 i prezzi si aggiravano intorno ai 1.100 dollari per kWh, e sono calati del 90% in dieci anni, raggiungendo nel 2020 i 137 dollari per kWh.

La battaglia dei materiali

Un’annosa questione, quando si parla di batterie, riguarda i materiali utilizzati per produrle. Del tema si è recentemente occupato il Wood Mackenzie future facing mined commodities forum, dove si è discusso di domanda di materiali, investimenti di metalli nel processo di transizione energetica, trend verso forme ecologiche di approvvigionamento.

Secondo Andrew Mitchell, direttore del gruppo di ricerca sul nichel di Wood Mackenzie, “entro il 2040, il fabbisogno annuale di nichel nei veicoli elettrici o nei sistemi di accumulo di energia equivarrà al mercato globale del nichel nel 2020” – corrispondente a circa 2,4 miliardi di tonnellate. “Fornire il nichel aggiuntivo necessario per la transizione energetica”, ha aggiunto Mitchell, “sarà difficile”. Se l'Occidente vorrà raggiungere i suoi obiettivi di transizione energetica e di emissioni di CO2, dunque, “il riciclaggio sarà fondamentale, così come gli investimenti”, che dovranno essere sostenuti anche dai governi, senza lasciarli esclusivamente “alle singole aziende”.

Un altro materiale essenziale per le batterie a ioni di litio è la grafite. Secondo l’analista Suzanne Shaw, “prevedendo una domanda di batterie in crescita del 14% all’anno fino al 2035, ci si dovrà concentrare in particolare sulle questioni riguardanti la criticità dell’offerta e il rispetto dei criteri Esg (environmental, social and corporate governance)”. Sebbene la produzione di scaglie naturali e grafite sintetica sia dominata dalla Cina, Shaw punta l’attenzione anche sull’offerta proveniente dal resto del mondo, anche se, ammette, “la Cina rimane l'unico produttore che controlla la lavorazione di scaglie per batterie (la cosiddetta grafite sferica, ndr)”. Questo, per Shaw, “costituisce un punto fermo nella catena di approvvigionamento”.

Secondo l’analista Allan Pedersen, la crescita della domanda di batterie ricaricabili continuerà a essere il principale motore della domanda di litio in futuro. “Prevediamo che la richiesta di litio crescerà di quasi cinque volte fino al 2035, per raggiungere quasi tre milioni di tonnellate”. Per soddisfare questa domanda, “sarà necessario effettuare investimenti significativi nell'industria del litio: stimiamo più di 88 miliardi di dollari da qui al 2035”.

La produzione di batterie sta inoltre mettendo a dura prova la fornitura di cobalto. Si prevede infatti che, nel 2035, il mercato del cobalto raddoppierà le dimensioni rispetto al 2020, generando numerose preoccupazioni sulla sostenibilità del processo minerario – a oggi dominato dalla Repubblica Democratica del Congo. Anche se, per l’analista Ying Lu, “con la maturazione del mercato, comincerà a prendere piede un settore minerario più formalizzato, una catena del valore diversificata e trasparente”.

L’evoluzione delle batterie

Per ovviare alle problematiche insite nell’incremento della domanda e nella diminuzione delle risorse, c’è dunque bisogno di produrre alternative. Secondo Innovation origins, le batterie allo stato solido succederanno, nei prossimi anni, a quelle a ioni di litio. “Queste batterie rappresentano un vero cambio di paradigma: invece degli elettroliti liquidi ricaricabili che si trovano altrove, utilizzano elettroliti solidi più sicuri e non infiammabili. Gli elettroliti solidi “consentono una ricarica più rapida, una maggiore portata e una maggiore durata”. L’allungamento della durata, si legge sempre su Innovation origins, “ridurrà la necessità di costosi sistemi di accumulo e abbatterà i costi energetici per i consumatori”.

La ricerca è in corso e alcuni prototipi sono già in fase di sviluppo, ma potrebbero passare anni prima che un dispositivo a stato solido sia competitivo sul mercato: gli esperti stimano infatti che, entro il 2026, la tecnologia allo stato solido costerà da tra gli 800 e i 400 dollari kWh, un prezzo ancora troppo alto rispetto alla concorrenza del litio.

Per Bloomberg, una vera e propria alternativa alle attuali batterie per l’accumulo di energia stazionaria esiste, e riguarda quelle a ioni di sodio. Simili agli ioni di litio, queste batterie sono costituite da due elettrodi e un elettrolita: la differenza deriva dalla sostituzione del litio con una quantità più abbondante di sodio, che apre anche all’utilizzo di materiali a basso costo nel catodo, in sostituzione di metalli come cobalto e nichel. “Questa non è una tecnologia particolarmente nuova”, scrive James Frith su Bloomberg. L’azienda Aquion Energy, che ha cessato l'attività nel 2017, sviluppava batterie al sodio dal 2014. Faradion, una startup con sede nel Regno Unito, ha concesso in licenza la sua tecnologia agli ioni di sodio al produttore britannico Amte Power. Catl, il più grande produttore mondiale di batterie agli ioni di litio, sostiene la tecnologia agli ioni di sodio e prevede la sua commercializzazione dal 2023, con prezzi inferiori a quelli del litio. Questa tecnologia, inoltre, potrebbe sfruttare gli stessi processi di produzione del litio, beneficiando delle economie di scala già esistenti nella catena di approvvigionamento. Però, “c'è un grosso inconveniente”, sottolinea Frith. “Il ciclo di vita di una batteria agli ioni di sodio, sebbene promettente, non corrisponde a quello del litio”. Oggi, il sistema di accumulo a base di litio può eseguire fino 12mila cicli, mentre la migliore prestazione riportata da un sistema agli ioni di sodio si attesta a 4.500 cicli. È improbabile, dunque, che la tecnologia sostituisca gli ioni di litio – su cui molte aziende, come la Tesla, stanno puntando per lo stoccaggio delle energie rinnovabili – “ma gli ioni di sodio giocheranno un ruolo chiave nelle applicazioni meno impegnative, come l'alimentazione di riserva e quella nel settore delle telecomunicazioni”.

La questione del riciclaggio

Un altro punto centrale del mercato delle batterie riguarda il riciclaggio. Secondo Bbc Future, il grande incremento di batterie agli ioni di litio implica alcuni significativi problemi di riciclo, trattandosi di materiali difficili da smaltire.

Nel normale impianto di riciclaggio delle batterie, le varie componenti vengono ridotte in polvere: quindi la polvere viene fusa (tramite un processo chiamato pirometallurgia) o disciolta in acido (idrometallurgia), sistemi che rendono questi materiali difficilmente riutilizzabili. “Distruggere tutto e cercare di purificare una miscela complessa è un procedimento costoso, che sforna prodotti di basso valore", afferma Andrew Abbott, chimico fisico dell'Università di Leicester: la conseguenza è che costa di più riciclare il litio che estrarlo, ragione per cui a oggi solo il 5% delle batterie al litio viene riciclato a livello globale. 

Ma con l'escalation della domanda di veicoli elettrici, la questione del riciclo diventa imprescindibile, anche a causa delle ingenti conseguenze ambientali generate all’estrazione dei metalli – per estrarre una tonnellata di litio, occorrono 2, 273 milioni di litri di acqua, e nelle saline di Atacama in Cile, l’attività estrattiva è stata collegata al calo della vegetazione, all’aumento delle temperature diurne e della siccità. “Se le milioni di batterie che si esauriranno dopo dieci anni di utilizzo verranno riciclate in modo più efficiente, ciò aiuterà a neutralizzare tutta questa spesa energetica”, si legge su Bbc Future.

Diversi laboratori stanno perciò perfezionando metodi di riciclaggio efficienti. “Dobbiamo trovare il modo per far entrare le batterie in un ciclo di vita circolare. […] Non possiamo più trattare le batterie come usa e getta”, ha dichiarato Shirley Meng, professoressa di tecnologie energetiche presso l'Università della California. Secondo Meng, esistono metodi per donare una seconda vita alle parti più preziose delle batterie – come il catodo e l’anodo. “Ciò potrebbe compensare in modo significativo l'energia, gli sprechi e i costi associati alla loro produzione”. Ma lo smontaggio delle batterie al litio viene attualmente eseguito a mano, una procedura che dovrà evolversi, se vorrà competere con i metodi di riciclaggio contemporanei. “In futuro, ci sarà bisogno di più tecnologia nello smontaggio”, commenta Andrew Abbott. “Se una batteria viene assemblata utilizzando i robot, è logico che debba essere smontata allo stesso modo”.

Il team di Abbott presso il Faraday Institution nel Regno Unito ha elaborato un sistema per ottenere il riciclaggio diretto dell'anodo e del catodo utilizzando una sonda a ultrasuoni: “Come quella che usa il dentista per pulire i denti", spiega Abbott. “Concentra gli ultrasuoni su una superficie che crea minuscole bolle, che implodono e staccano il rivestimento dalla superficie”. Questo processo evita di dover distruggere alcune parti della batteria, aspetto che può rendere estremamente difficile il loro riutilizzo. Secondo il team, questo metodo di riciclaggio a ultrasuoni potrà produrre cento volte più materiale del metodo idrometallurgico, e costerà la metà di una batteria creata da materiale vergine.

Altri gruppi di ricerca stanno lavorando a vero e proprio superamento delle batterie tradizionali. Jodie Lutkenhaus, professoressa di ingegneria chimica presso la Texas A&M University, ha prodotto una batteria composta da sostanze organiche, che possono degradarsi a comando. "Molte batterie oggi non vengono riciclate a causa dell'energia e del costo della manodopera associati", ha affermato Lutkenhaus. "Le batterie che si degradano a comando possono semplificare o abbassare la barriera di riciclaggio. Alla fine, questi prodotti di degradazione potrebbero essere ricostituiti in una nuova batteria nuova, chiudendo il ciclo di vita dei materiali". Le batterie radicali organiche (Orb) esistono dagli anni 2000 e funzionano tramite l'uso di materiali organici, sintetizzati per immagazzinare e rilasciare elettroni.

Anche l'Unione europea sta lavorando in questo senso, e ha recentemente stabilito regole per batterie più sostenibili ed etiche. 

Un cambio di mentalità

Secondo Toni Federico, direttore del comitato tecnico scientifico della Fondazione per lo Sviluppo Sostenibile, la strada per la diffusione delle batterie e lo stoccaggio energetico passa però anche da altre vie, che chiamano in causa le politiche pubbliche e i comportamenti individuali.

“Siamo in una fase di profonda transizione”, dichiara Federico. “Dobbiamo evolvere da un sistema in cui l’energia viene consumata quando prodotta, a uno in cui viene stoccata e poi distribuita solo quando se ne ha necessità”. Per Federico, la transizione digitale sta favorendo questo processo, anche se, ricorda, “siamo ancora in un momento di grande sperimentazione”. 

Il secondo fattore fondamentale è l’integrazione delle reti a livello europeo. “Bisogna uscire dall’idea che ognuno si faccia la propria energia”, ha dichiarato Federico. “In Europa abbiamo una rete comune, ma è integrata male. Bisogna organizzare un progetto più efficiente: così, l’energia eolica verrà prodotta soprattutto nel mare del Nord e quella fotovoltaica in Sicilia, e il problema dell’intermittenza delle energie rinnovabili diventerà decisamente minore”.

Altro aspetto significativo è promuovere un consumo responsabile in un contesto di economia circolare, fondamentale per raggiungere un equilibrio tra domande e offerta. “Bisogna fare in modo che anche la domanda sia intelligente, in modo tale che l’energia venga usata quando c’è bisogno”. In particolare, i consumi energetici delle grandi fabbriche dovranno essere ottimizzati, rendendo così meno problematica la questione dello stoccaggio. Questo efficientamento dei consumi sarà imprescindibile anche sul piano domestico: “abbiamo bisogno di strumenti digitali che ci indichino quando usare gli elettrodomestici nel momento in cui costano di meno, ma anche che ci permettano di capire di quanta energia disponiamo, se vogliamo comprarla o venderla. Oppure abbiamo bisogno di una tecnologia che applichi questo processo virtuoso in automatico”.

Tutti questi aspetti, conclude Federico, “significano progresso”.

di Flavio Natale