Tenete d’occhio le batterie

Questa settimana Elon Musk, il ceo di Tesla, ha celebrato il “Battery day”, un evento dedicato alla tecnologia delle batterie e a come questa renderà le automobili Tesla più potenti e più economiche. Musk ha fatto promesse eccitanti e tutte spostate molto avanti nel tempo, come un’utilitaria elettrica che costerà 25 mila dollari ma arriverà solo tra qualche anno (a causa delle promesse poco concrete di Musk, il titolo di Tesla ha perso molti punti in borsa). Ma con le sue promesse ha ricordato che il settore delle automobili elettriche ruota attorno alle batterie: potenza, velocità, autonomia e durata negli anni della vettura dipendono da come e quanto va la batteria, e questo non riguarda soltanto le automobili.

Le batterie sono uno dei punti deboli di molte industrie ad alto tasso di tecnologia, perché il loro miglioramento non riesce a stare al passo con quello di altri componenti importanti. Il potere di calcolo dei processori, per esempio, segue in linea di massima la famosa legge di Moore, secondo cui la potenza dei computer raddoppia ogni due anni circa (ci sono molte discussioni attorno al fatto che la legge di Moore sia ancora valida o meno, ma prendiamola per buona). I computer, aumentando la potenza, aumentano anche il fabbisogno di energia. Ma la capacità delle batterie aumenta molto più lentamente e fa da collo di bottiglia. In teoria sarebbe possibile già adesso avere smartphone e computer portatili molto più veloci di quelli che abbiamo, con processori più potenti, ma nessuno li produce perché le batterie si scaricherebbero subito: se vogliamo accelerare lo sviluppo tecnologico, ci servono batterie migliori.

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Le batterie sono anche il punto debole di molte politiche per la valorizzazione delle energie rinnovabili. Come ricordava l’Economist qualche tempo fa, per fare affidamento su fonti energetiche intermittenti come il sole e il vento è necessario avere dei sistemi efficaci per conservare l’energia: servirebbero batterie efficienti, con enorme capienza e molto economiche, che purtroppo ancora non esistono.

Inoltre, come si legge in un report appena pubblicato dello European Patent Office (EPO) e intitolato “Innovation in batteries and electricity storage – A global analysis based on patent data”, l’utilizzo di energia elettrica è in crescita in tutto il mondo, e anche questo rende necessario trovare un modo per conservare questa energia e metterla in uso quando serve: batterie, appunto.

La stragrande maggioranza delle batterie attualmente in commercio è agli ioni di litio, una tecnologia che è stata sviluppata a partire dagli anni Settanta da alcuni scienziati (i più importanti di loro, John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino, hanno ricevuto l’anno scorso il Premio Nobel per la chimica) e che è stata messa in commercio da Sony nel 1991. Semplificando molto, le batterie agli ioni di litio – come tutte le altre – immagazzinano e rilasciano energia elettrica facendo passare un flusso di elettroni tra due elettrodi: quello negativo (anodo) e quello positivo (catodo). Il video qui sotto spiega storia e funzionamento della batteria in modo semplice e si possono selezionare i sottotitoli in italiano.

Il litio è il più leggero tra gli elementi solidi e ha molte proprietà che l’hanno reso perfetto per creare le batterie, ma l’aumento dei bisogni ha dato una spinta molto forte alla ricerca sul campo: secondo il report dell’EPO, il numero di brevetti legati alle tecnologie per immagazzinare l’energia è aumentato del 704 per cento tra il 2000 e il 2018, e di questi la maggior parte riguarda l’energia elettrica, contro un aumento del 213 per cento del numero totale dei brevetti depositati.

Per ora, i filoni principali di sviluppo di tecnologie per l’immagazzinamento di energia continuano a ruotare attorno alle batterie agli ioni di litio: le aziende cercano di rendere più efficienti e potenti le batterie che già esistono, non di trovare qualcosa di radicalmente nuovo. Ci sono tuttavia molti campi di ricerca più avanzati e promettenti, che vedremo.

Le caratteristiche delle batterie che le aziende stanno cercando di migliorare sono molte, ma le principali sono: la durata della batteria, la sua vita sul lungo periodo e il costo economico. Per capire come vanno le cose, rimaniamo nel settore delle automobili elettriche, che è piuttosto indicativo perché è uno dei più dinamici e meglio finanziati e perché è facile comprendere le necessità che stanno dietro a ciascun miglioramento.

Aumentare la durata della batteria serve a fare in modo che le automobili elettriche possano viaggiare più chilometri tra una ricarica e l’altra, e magari permettersi di andare veloce senza che la batteria si scarichi troppo. Trovare un modo per aumentare la vita delle batterie è importante perché, come sa chiunque utilizzi uno smartphone, nel tempo la capacità delle batterie si degrada, sia a causa dell’utilizzo sia a causa del tempo. Questo significa che l’autonomia di un’automobile elettrica si riduce lentamente ma costantemente e che bisogna rallentare il più possibile questo processo inevitabile. Anche l’utilità di migliorare il costo di produzione è autoevidente: mentre le batterie piccole, come quelle che sono dentro ai telefoni, costano poche decine di euro, ed è possibile comprare una batteria esterna a poco prezzo, le batterie più grandi costano ancora moltissimo e sono la ragione principale per cui le automobili elettriche hanno un prezzo che ancora non riesce a competere con quelle a benzina o diesel.

Nell’evento di Tesla di questa settimana, per esempio, le novità hanno riguardato due di queste caratteristiche, la durata di carica e il prezzo. Tesla ha annunciato un nuovo tipo di batteria che rispetto al modello precedente dovrebbe, secondo l’azienda, immagazzinare cinque volte l’energia, essere sei volte più potente e dare alle automobili, in media, il 16 per cento di autonomia in più. I costi di produzione, inoltre, si dovrebbero ridurre del 56 per cento per kilowattora, anche grazie al fatto che Tesla vuole cominciare a produrre batterie da sé, in fabbriche tutte nuove (per ora la produzione è affidata a Panasonic).

La tecnologia di base è sempre la stessa, anche le nuove batterie Tesla sono agli ioni di litio, ma i tecnici dell’azienda hanno adottato alcuni accorgimenti per renderle più efficienti. Nello specifico, hanno eliminato la lamella che di solito collega la batteria all’oggetto che deve ricaricare e fatto altri miglioramenti. Tutto questo per ora è solo su carta: le nuove batterie superefficienti non sono entrate ancora in produzione e non lo saranno per qualche anno. Elon Musk, inoltre, è celebre per i suoi annunci esageratamente ottimisti. Ma il suo obiettivo di portare il costo di produzione delle batterie a 70 dollari per kilowattora nei prossimi dieci anni è in linea con le previsioni fatte nel 2017 da BloombergNEF, una società di ricerca, secondo cui le batterie arriveranno a costare 73 dollari per kilowattora entro il 2030. Nel 2019 il costo delle batterie era di 156 dollari per kilowattora in media.

Altre compagnie si sono concentrate su aspetti diversi. Un’azienda cinese che si chiama Contemporary Amperex Technology e che fornisce batterie a molte case automobilistiche ha annunciato a giugno di aver sviluppato una batteria che ha una vita totale di due milioni di chilometri. Di solito, le batterie delle automobili elettriche sono garantite per 150-200 mila chilometri, che è comunque una cifra ragguardevole. Dopo l’annuncio non si è più saputo molto di questa batteria superlongeva, ma sia GM sia Tesla, pare, stanno sviluppando soluzioni simili.

In generale, le innovazioni più recenti delle batterie agli ioni di litio riguardano due elementi: il catodo, cioè l’elettrodo positivo della batteria, e l’elettrolita, cioè la sostanza che consente il passaggio degli ioni tra gli elettrodi e che in pratica conduce la corrente elettrica. Il catodo è composto di un ossido misto di litio e di altri metalli, e la composizione di quest’ossido può cambiare di molto le prestazioni: nella maggior parte delle batterie in uso il litio è associato al cobalto o al manganese, ma si studiano e producono batterie con fosfato di ferro, alluminio, nickel e altri metalli.

Molte aziende puntano a eliminare il più possibile il cobalto dalle batterie, perché è un metallo relativamente raro e perché la sua estrazione è eticamente discutibile. Questi metalli rari, inoltre, sono una delle ragioni per cui il prezzo delle batterie rimane così alto.

L’altra grande innovazione per le batterie agli ioni di litio è creare batterie allo stato solido, in cui l’elettrolita, che di solito è liquido o è una specie di gel, è sostituito con un materiale, appunto, solido, che aumenterebbe sia la durata sia la vita della batteria, e che avrebbe un ulteriore vantaggio molto importante: le batterie a stato solido non sono infiammabili. È da almeno un decennio che si parla di batterie a stato solido, e molti esperti ritengono che sia questa l’innovazione su cui puntare per far fare alle batterie un salto di qualità, ma per ora ci sono alcuni problemi da risolvere, riguardanti soprattutto la gestione del calore e il costo di produzione.

Ci sono poi le batterie senza litio, che sono un settore piccolo ma in crescita: nel 2018, il 45 per cento dei brevetti per batterie elettriche aveva riguardato batterie agli ioni di litio, e soltanto il 7,3 per cento dei brevetti aveva riguardato batterie basate su altre sostanze (gli altri brevetti non erano legati alla chimica di una batteria). Le sperimentazioni sono tante e gli utilizzi numerosi. Per esempio, pochi giorni fa Bloomberg ha raccontato che le batterie al sodio stanno generando molto interesse: hanno caratteristiche che non consentono di essere usate nell’elettronica di consumo o nelle auto elettriche ma sono promettenti per esempio per lo stoccaggio di energia ottenuta da fonti rinnovabili.

Chi controlla le batterie
Se si guarda alla ricerca, i paesi più avanzati nel settore dell’immagazzinamento dell’energia elettrica sono Giappone e Corea del Sud. Secondo l’EPO, tra le dieci aziende che hanno depositato più brevetti nel settore delle batterie ce ne sono sette giapponesi, tra cui spiccano Panasonic, Sony e Toyota, due sudcoreane (LG e Samsung) e una europea, la tedesca Bosch. Tra il 2014 e il 2018, il 41 per cento di tutti i brevetti depositati è arrivato dal Giappone.

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Le cose cambiano quando si passa dalla proprietà alla produzione: quella è dominata dalla Cina, che controlla anche tutta la filiera e le forniture che stanno attorno al mercato delle batterie. Secondo l’Economist, la Cina produce il 69 per cento delle batterie agli ioni di litio di tutto il mondo. Secondo Benchmark Mineral Intelligence, una società di analisi britannica, l’80 per cento dei materiali grezzi necessari per la costruzione delle batterie agli ioni di litio proviene da aziende cinesi, che hanno preso il controllo di una parte importante della filiera produttiva mondiale. Più del 60 per cento delle riserve mondiali di cobalto, per esempio, si trova nella Repubblica Democratica del Congo, ma le 14 miniere di cobalto più grandi del paese sono tutte di proprietà cinese.

Il sito di Voice of America, l’emittente ufficiale del governo degli Stati Uniti, di recente ha pubblicato un articolo in cui si legge che la fornitura globale di batterie potrebbe presto diventare una questione di sicurezza nazionale per Washington. Anche l’Economist, nel suo articolo di copertina della settimana scorsa, ha scritto che poco dopo aver raggiunto l’indipendenza energetica con l’estrazione del petrolio shale adesso gli Stati Uniti potrebbero trovarsi in difficoltà in un mondo che è sempre più dipendente dall’energia elettrica.