Batterie per auto elettriche, la sfida tecnologica dell’Europa allo strapotere asiatico

Oggi la produzione di batterie al litio si concentra per l’85% in Estremo Oriente, mentre l’Europa è ferma al 3%. Per questo l’Ue si sta muovendo, attraverso progetti come Battery 2030+, per formare ingegneri qualificati e per finanziare la ricerca di nuove soluzioni innovative in un settore considerato strategico, dal momento che il futuro della mobilità sarà dominato dall’elettrico.
Federico Turrisi 8 aprile 2020

Le auto elettriche saranno le protagoniste della transizione verso forme di mobilità sostenibile, questo è indubbio. Secondo le previsioni di Bloomberg New Energy Finance (contenute nel rapporto Electric Vehicle Outlook 2019), il 57% delle nuove immatricolazioni nel 2040 sarà di autovetture elettriche, che sorpasseranno così quelle con motori a combustione interna.

Più modelli in circolazione significherà milioni di batterie in più. La batteria – oggi la più diffusa è quella agli ioni di litio – infatti è il cuore dell'auto elettrica; per questo l'innovazione tecnologica che ruota attorno a questo dispositivo ha un ruolo cruciale. Stiamo parlando di un business che a partire dal 2025, si stima, avrà un valore intorno ai 250 miliardi di euro l'anno. A dirlo è lo European Institute of Innovation and Technology (EIT).

Attualmente le aziende europee possiedono una quota di mercato estremamente ridotta per quanto riguarda gli accumulatori agli ioni di litio: poco sopra il 3%. In pratica, le briciole. I giganti della produzione sono in Asia. In testa c'è la Cina, che ha investito moltissime risorse nel settore delle celle per le batterie agli ioni di litio e ha adottato una politica neo-colonialista (vedi il caso dell'Africa per il cobalto) per assicurarsi le materie prime necessarie per la loro produzione. A seguire troviamo Corea del Sud e Giappone. Oggi circa l'85% delle batterie è prodotto in Estremo Oriente.

Il piano dell'Europa

L'Europa è rimasta indietro, e adesso rischia di ritrovarsi dipendente dalle celle asiatiche per i sistemi di accumulo di carica elettrica che dovranno essere installati nelle auto che verranno fabbricate sul suo territorio. La comunità europea ha capito, seppur in ritardo, che quello delle batterie è un settore strategico e ha dunque deciso di muoversi su due direttrici. Se non per eguagliare il livello dell'Asia, quanto meno per avvicinarlo.

La prima direttrice riguarda la European Battery Alliance (EBA), lanciata ufficialmente nell'ottobre 2017 dall'allora vice commissario europeo Maroš Šefčovič. Il piano, che al momento coinvolge sette paesi europei (Belgio, Finlandia, Francia, Germania, Italia, Polonia e Svezia), prevede 3,2 miliardi di euro di finanziamenti pubblici da destinare a progetti di ricerca e sviluppo sulle batterie. Il contributo dell'Italia ammonta a 570 milioni di euro, ma si prevede che il programma possa sbloccare ulteriori 5 miliardi di investimenti privati. Tra i partner dell'iniziativa figurano 17 aziende che operano nella filiera delle batterie. L'obiettivo principale è riuscire ad avviare tra le 10 e le 20 gigafactory, ossia impianti di produzione su larga scala: è questa la quota stimata dall'Unione Europea per coprire la domanda del mercato delle auto elettriche all'interno dei suoi confini per il 2025.

La seconda direttrice è legata al più recente progetto Battery 2030+, che comprende una ventina di partner tra università, centri di ricerca e associazioni industriali. Battery 2030+ è quella che tecnicamente viene definita una Csa (Coordination and Support Action), voluta dalle istituzioni comunitarie per avere una piattaforma sulla ricerca di base, a basso Trl (Technology Readiness Level), per sviluppare competenze e portare innovazione nell’ambito delle batterie.

"L’Europa ha abbastanza capacità nell’ambito della produzione di macchinari e dell’assemblaggio dei moduli, ma ci manca ancora il know-how sulla parte relativa alla produzione delle celle", spiega Silvia Bodoardo, responsabile per il Politecnico di Torino e membro del core group del progetto Battery 2030+, nonché professoressa di Fondamenti chimici per le tecnologie e responsabile del gruppo di ricerca di Elettrochimica presso l'ateneo piemontese. Il Politecnico di Torino è uno dei quattro partner universitari che ha deciso di far partire un master a livello europeo all’inizio del prossimo anno accademico (quindi il prossimo autunno). Del resto, l'aspetto formativo del progetto gioca un ruolo fondamentale. L'intenzione dell'Europa è proprio quella di formare nuovi ingegneri e tecnici specializzati e di porsi così all'avanguardia nell’offerta di personale altamente qualificato per quanto riguarda il settore delle batterie.

Il ruolo dell'intelligenza artificiale

Una parte destinata a evolvere è quella inerente alla sensoristica all'interno delle batterie. "Oggi i sensori sono esterni, quindi ogni cella ha una sua termocoppia che misura la temperatura", prosegue la professoressa Bodoardo. "L’idea innovativa è quella di mettere i sensori direttamente dentro la singola cella, così da determinare la misurazione in maniera più accurata, perché la faccio su tutta la superficie dell’elettrodo. Potrò quindi vedere anche reazioni molto piccole, potrò andare a determinare molti altri parametri, come la pressione e la composizione chimica, potrò capire insomma come lavora la singola cella. Questo ci permetterà di intervenire in maniera preventiva, modificando la modalità di lavoro della cella in real time e di darci molti vantaggi che adesso non abbiamo, soprattutto in termini di sicurezza".

Qui entra in gioco l'intelligenza artificiale. Sensori più precisi significa infatti un aumento notevole di dati da gestire rispetto alla tecnologia di oggi. "Attualmente la batteria possiede un Bms (Battery Management System, ndr), cioè un sistema che gestisce corrente, tensione e temperatura. Se si nota un aumento improvviso della temperatura, il Bms stacca una cella per impedire che la batteria prenda fuoco. Ma nel momento in cui, anziché avere qualche termocoppia, avrò moltissimi sensori che mi andranno a misurare la temperatura elettrodo per elettrodo, a vedere come cambia il volume degli elettrodi in funzioni delle reazioni elettrochimiche che avvengono, il numero dei dati che ciascuna cella genererà diventa molto elevato e il sistema diventerà molto più complesso. E l'intelligenza artificiale non solo imparerà come e quando intervenire tempestivamente, ma sarà anche in grado di condividere le informazioni con le altre batterie gemelle sparse per il pianeta".

Le caratteristiche delle batterie del futuro

Riassumendo, che cosa dovranno avere in più le batterie di domani rispetto a quelle di oggi? Procediamo per punti:

  • Dovranno avere una densità di energia più elevata (per chi non è esperto, si tratta della quantità di energia immagazzinata in rapporto ad un'unità di peso o di volume): tutti noi vorremmo che le nostre batterie durassero più a lungo, il che significa garantire una maggiore autonomia ai veicoli elettrici;
  • Dovranno essere più economiche: anche in questo caso la robotica e le nuove tecnologie possono aiutarci a ridurre i costi;
  • Dovranno essere più sicure: qui è la parte di sensoristica a svolgere un ruolo di primo piano;
  • Dovranno essere più sostenibili e completamente riciclabili: in sostanza, le batterie del futuro non dovranno contenere materiali tossici, ma soprattutto non dovranno contenere materiali che vengono estratti prevalentemente in alcune regioni specifiche del pianeta con costi sociali e ambientali elevati (in questo senso, il caso del cobalto nella Repubblica democratica del Congo e quello del "triangolo del litio" in Sudamerica sono emblematici). "Diventa allora fondamentale la capacità di generare nuove materie prime, come è avvenuto per le batterie al piombo. Ormai nessuna di queste è ottenuta da materiale che viene estratto, ma si utilizza solo piombo di riciclo. Dovremmo applicare lo stesso principio alle batterie al litio, rendendo il sistema più efficiente dal punto di vista energetico e riducendo le emissioni di CO2 in fase di produzione", aggiunge la professoressa Bodoardo.

La ricerca sui nuovi materiali

Un'altra partita molto importante si gioca sul terreno della ricerca di nuovi materiali in grado di migliorare la durata e l'efficienza delle batterie. "Per i sistemi di accumulo del futuro vengono spesso citate le batterie a litio metallico, che hanno una capacità dieci volte superiore rispetto alla grafite, che attualmente è il materiale più usato per l’anodo, il polo negativo delle batterie agli ioni di litio. Per il catodo, ossia per il polo positivo, si possono usare invece altri elementi come lo zolfo oppure l’ossigeno".

Lo zolfo è un materiale che ha attirato l'attenzione dei ricercatori per vari motivi: è più facile da reperire rispetto al litio (le cui riserve, come abbiamo detto in precedenza, sono concentrate in Sudamerica) ed è più economico, trattandosi di un sottoprodotto della raffinazione del petrolio. "La batteria litio-zolfo, siccome è costituita da materiali molto leggeri con grandi capacità, ha una densità di energia teorica di cinque volte maggiore rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio". Tradotto, una batteria litio-zolfo ci permetterebbe di fare 1000 chilometri anziché 200.

Un altro campo di ricerca è quello relativo allo sviluppo della batteria litio-aria, "un mio grande amore, avendo curato uno dei due progetti europei a riguardo", dice sorridendo la docente del Politecnico di Torino. "Il sistema comprende un elettrodo in litio metallico e l’altro composto dall’ossigeno dell’aria. Potenzialmente è la batteria perfetta, perché l’aria disponibile è tanta. Però c’è tutta una serie di problemi da risolvere riguardo alla reattività del litio metallico in presenza di una percentuale di umidità nell'aria. La densità di energia teorica della batteria litio-aria potrebbe essere dieci volte superiore rispetto a quella agli ioni di litio". Se la batteria litio-zolfo è abbastanza vicina alla commercializzazione, anche perché la tecnologia di produzione è molto simile a quella della batteria agli ioni di litio, per la litio-aria bisognerà probabilmente aspettare un po' di più. Occorrono studi più approfonditi, ma è proprio grazie a progetti come Battery 2030+ e allo stanziamento di fondi che la ricerca può proseguire.