Previsioni sull'innovazione delle batterie dei veicoli elettrici (2023) - 600 S Wagner Rd, Ann Arbor, MI 48103, USA

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Inoltre, la legge, probabilmente uno dei più grandi investimenti nella storia del clima americano, dà priorità alla riduzione dei gas serra attraverso una moltitudine di disposizioni, tra cui quelle che incentivano l'industria dei veicoli elettrici attraverso una serie di crediti d'imposta. Con tanta enfasi legislativa posta sull'industria dei veicoli elettrici, la dott.ssa Michelle Tokarz - vicepresidente delle partnership e dell'innovazione di The Coretec Group - discute i suoi pensieri e le sue previsioni sulla direzione che, secondo lei, prenderà l'industria delle batterie EV nel 2023.

Con una legislazione che potrebbe causare un aumento della produzione di veicoli elettrici, saranno necessarie stazioni di ricarica adeguate per soddisfare questa maggiore domanda. Ma la semplice moltiplicazione dell'attuale tecnologia delle stazioni di ricarica non è la risposta. Attualmente, la maggior parte delle stazioni richiede almeno 30 minuti per fornire una carica ragionevole, rispetto ai 10-15 minuti necessari per riempire il serbatoio di un'auto tradizionale con motore a combustione interna. La logistica di avere molti più veicoli elettrici in circolazione e di mantenere le loro batterie cariche potrebbe diventare rapidamente un incubo. L'adozione diffusa dei veicoli elettrici potrebbe comportare lunghe file per accedere alle porte di ricarica. La creazione di un maggior numero di stazioni di ricarica e la ricarica domestica delle auto può contribuire a ridurre i tempi di attesa, ma la ricarica domestica ha i suoi limiti. Affidarsi a questo metodo di ricarica comporta un aumento delle bollette elettriche domestiche e limita l'utente a un raggio d'azione vicino alla propria abitazione, il che significa che i viaggi più lunghi richiederanno comunque una rete di stazioni di ricarica. Inoltre, la disponibilità di una ricarica a domicilio non è una realtà per coloro che vivono in aree urbane e che potrebbero parcheggiare in zone prive di infrastrutture di ricarica, come le strade o le tettoie.

Per ridurre questi ostacoli all'adozione diffusa, scienziati e aziende stanno conducendo ulteriori ricerche sui progressi tecnologici basati sulla chimica che consentiranno alle batterie dei veicoli elettrici di caricarsi più velocemente, di adattarsi a una maggiore autonomia e di assumere cicli di vita più lunghi. L'aumento dell'autonomia delle batterie dei veicoli elettrici rimane uno dei modi più semplici per ridurre la dipendenza dalle stazioni di ricarica disponibili. Tempi di ricarica più rapidi allevierebbero anche i colli di bottiglia della ricarica. Un metodo per raggiungere questo obiettivo è l'utilizzo di anodi a base di silicio nelle batterie agli ioni di litio utilizzate per alimentare i veicoli elettrici. I componenti principali delle batterie agli ioni di litio sono i collettori di corrente, gli anodi, i catodi, i separatori e gli elettroliti. Tradizionalmente, gli anodi sono stati realizzati in grafite (una particolare forma di carbonio), ma il silicio è sempre più considerato il prossimo passo evolutivo nella chimica degli anodi delle batterie. Ciò è dovuto, in parte, al fatto che il silicio ha una capacità di carica dieci volte superiore a quella dei tradizionali anodi di grafite e si trova in abbondanza. È letteralmente il secondo elemento più abbondante sulla terra.

Va notato, tuttavia, che nonostante l'enorme aumento della capacità di carica del silicio rispetto alla grafite, la sua implementazione è stata ostacolata dalla mancanza di integrità meccanica, dalla scarsa stabilità dei cicli e dalla scarsa conduttività. Per questi motivi, è improbabile che gli anodi di silicio sostituiscano presto quelli di grafite. Ma questo non significa che dobbiamo escludere completamente il silicio come soluzione.

I ricercatori stanno studiando attivamente modi per risolvere i limiti del silicio e creare una strada percorribile nel prossimo futuro. Ad esempio, è possibile utilizzare strutture uniche e formulazioni di anodi attivi che incorporino scale di lunghezza nanometriche, l'uso appropriato di fonti di carbonio e uno strato solido di elettrolita-interfase (SEI) in grado di resistere meglio alla formazione e al degrado tipici delle attuali particelle anodiche di silicio. Il silicio viene già utilizzato come additivo negli anodi di grafite, ma in percentuali molto basse. Per ottenere davvero la capacità di carica necessaria a tradursi in una migliore autonomia, è necessario tenere d'occhio gli sviluppi del silicio.

nel 2023 si assisterà probabilmente a un aumento dell'uso dei catodi LFP nella ricarica dei veicoli elettrici, soprattutto perché si prevede un aumento dei volumi di TUTTI i catodi con il previsto incremento dei veicoli elettrici. I catodi LFP offrono una serie di vantaggi, tra cui un costo inferiore, un ciclo di vita più elevato e una migliore resistenza alle alte temperature. Tuttavia, i materiali per catodi ternari come il nichel manganese cobalto (NMC) e l'ossido di nichel-cobalto-alluminio (NCA) al litio sono attualmente i principali nelle batterie per un motivo. Le loro controparti LFP non hanno la stessa capacità delle batterie NCA/NMC e hanno una densità energetica inferiore. Il peso e il volume necessari per ottenere la capacità di carica di una LFP la rendono inadatta alle batterie per veicoli elettrici, ma piuttosto alle applicazioni di stoccaggio in rete, dove il peso non è un problema. Per gli EV di fascia bassa, dove l'autonomia (capacità di carica disponibile) non è un problema, esistono ancora alcuni EV basati su catodi LFP, ma l'innovazione verrà probabilmente dai catodi NMC e NCA.

Nel complesso, nonostante queste chiare limitazioni, l'inflazione, i picchi di carburante, l'aumento dei costi operativi e l'instabilità delle condizioni geopolitiche potrebbero indurre una moltitudine di sviluppatori di batterie per EV a scegliere di utilizzare la tecnologia LFP, più economica, ma non su una scala tale da superare le batterie NCA/NMC.

Nonostante gli svantaggi degli elettroliti liquidi, come l'infiammabilità e l'esplosività, è probabile che nel 2023 continueranno a dominare il mercato delle batterie agli ioni di litio grazie agli elevati livelli di conduttività, all'intensità di autoscarica, al più ampio intervallo di temperature operative e alla bagnabilità delle superfici degli elettrodi. A questo punto, le uniche alternative note all'elettrolita liquido sono gli elettroliti in fase solida presenti nelle batterie allo stato solido. Le batterie allo stato solido hanno un grande potenziale in termini di aumento della capacità di carica e di sicurezza. Tuttavia, sono ancora in fase di ricerca in tutto il settore. I ricercatori stimano un periodo di 5-10 anni prima che gli elettroliti solidi diventino di uso comune.

Con l'ingresso di un numero sempre maggiore di operatori nel settore dei veicoli elettrici nel 2023, a causa della maggiore attenzione ai cambiamenti climatici e alla riduzione delle emissioni di gas serra, è probabile che le innovazioni nel settore delle batterie per veicoli elettrici seguano l'esempio. Allo stato attuale, gli attuali tempi di ricarica sono un chiaro ostacolo all'adozione di massa dei veicoli elettrici e l'industria deve sviluppare soluzioni per affrontarli direttamente. Nei prossimi anni, possiamo aspettarci di vedere nuove tecnologie che rafforzano le nostre batterie, rendendole più facili da usare e con una maggiore capacità di durata. Per questo motivo, gli anodi di silicio che consentono alle batterie dei veicoli elettrici di caricarsi più velocemente, di trattenere più energia e di durare molto più a lungo sono indispensabili affinché l'uso diffuso diventi realtà.