Batterie di prossima generazione, ricercatori svizzeri alla carica

In tutta Europa, i Paesi stanno incrementando la produzione e lo sviluppo di nuove tecnologie nel settore delle batterie. Nella foto, un ingegnere nel Battery Industrialization Centre a Coventry, nel Regno Unito. Jason Alden / Bloomberg

Le batterie sono ovunque – nei nostri telefoni, computer e automobili – ma la tecnologia ideale, performante ed economica, non è ancora stata raggiunta. Importanti iniziative di ricerca europee e svizzere stanno cercando di soddisfare la richiesta di innovazione per l'immagazzinamento energetico, con risultati attesi nella prossima decade.

“Le batterie potrebbero permettere di ridurre del 30% le emissioni di gas a effetto serra nei trasporti e nel settore energetico, fornire accesso all’elettricità a 600 milioni di persone che attualmente non ne dispongono e creare 10 milioni di impieghi sicuri e sostenibili in tutto il mondo”, ha recentemente dichiarato in un rapporto il World Economic Forum (WEF), con sede a Ginevra.

L’Asia domina il mercato delle batterie tradizionali, con oltre il 90% della produzione in Cina, Corea e Giappone. Ma l’Europa vuole farsi strada velocemente. Trainata dalla sua industria automobilistica, l’Unione europea (UE) intende produrre celle di batteria nel continente ed evitare la dipendenza tecnologica da altre parti del mondo.

“Al momento adottiamo velocemente le nuove tecnologie di terzi, ma secondo l’UE abbiamo una buona base in termini di ricerca e innovazione delle batterie”, spiega Corsin Battaglia, esperto del Laboratorio federale per la scienza e la tecnologia dei materiali (Empa). La Svizzera, che non fa parte dell’UE, è comunque coinvolta da vicino nei progetti di ricerca europei sulle batterie.

Quattro anni fa, Bruxelles ha lanciato la European Battery Alliance per incrementare la produzione e le risorse nella ricerca e nello sviluppo. L’iniziativa prevede la costruzione di quasi 40 “giga-fabbriche” di batterie sul territorio europeo, secondo l’ong Transport & Environnement. Qualora diventassero tutte operative, il continente avrebbe il controllo del 20% del mercato globale di batterie nel 2025 per un valore annuale stimato a 250 miliardi di euro (270 miliardi di franchi svizzeri).

Una delle prime giga-fabbriche è Northvolt Ett, ed è in costruzione nel nord della Svezia. Northvolt sostiene che sarà in grado di produrre ogni anno batterie sufficienti per un milione di veicoli elettrici.

L’enorme fabbrica di batterie a ioni di litio Northvolt Ett, nel nord della Svezia, si estende su oltre 500’000 metri quadrati, l’equivalente di 70 campi da calcio. William Steel (Northvolt)

Non è per ora prevista la costruzione di giga-fabbriche in Svizzera, ma il Paese è strettamente legato agli sviluppi dell’industria attraverso i suoi istituti di ricerca e le sue ditte specializzate.

“Che si tratti di materiali, integrazione delle celle, elettronica, sistemi di gestione delle batterie, riciclo e immagazzinamento mobile o stazionario, ci sono molte aziende in Svizzera attive nel settore o addirittura leader globali”, indica Battaglia.

Batterie auto-riparanti

Le batterie a ioni di litio sono state la forma di accumulo energetico dominante per anni e ci si aspetta che la richiesta decuplicherà nella prossima decade. Negli ultimi 30 anni i prezzi sono crollati, ma la tecnologia è rimasta ampiamente la stessa. Alternative, come componenti con una longevità maggiore capaci di contenere più energia, saranno necessarie per soddisfare le future richieste.

Qui entra in gioco l’iniziativa di ricerca europea da 40 milioni di euro Battery 2030+, lanciata lo scorso anno. Comprende sette grandi progetti di ricerca sostenuti da nove Paese europei, Svizzera inclusa. Uno di questi progetti è chiamato “HIDDEN” e intende migliorare del 50% la longevità e la densità energetica delle normali batterie a ioni di litio.

Il crearsi di piccole formazioni simili a fibre chiamati dendriti è un grande problema per la longevità delle batterie al litio metallico, spiega Axel Fuerst, uno dei responsabili di progetto per HIDDEN presso l’Università di scienze applicate di Berna.

“Il litio metallico ha una densità energetica elevata e può essere dunque usato per fabbricare batterie più leggere ed efficienti. Ma i dendriti crescono molto velocemente e la durata di vita di queste celle è corta”, aggiunge.

Per risolvere il problema, il suo gruppo sta lavorando a un processo di auto-riparazione interno della batteria. La speranza è che speciali elettroliti termotropici appositamente sviluppati, additivi e un separatore piezoelettrico che crea un campo elettrico possano rompere i dendriti ed evitarne la formazione. Un primo modello concettuale dovrebbe esser pronto nel 2023.

Meno metalli rari

Nel frattempo, Battaglia e il suo gruppo di lavoro all’Empa stanno coordinando “SENSE”, un progetto di ricerca europea che intende produrre una batteria a ioni di litio di “generazione 3b”, con un anodo in silicio e grafite e un catodo in NMC (nichel, manganese, cobalto). Lo scopo è aumentare la densità energetica, permettendo di usare meno metalli rari, velocizzare la ricarica e migliorare l’autonomia dei veicoli elettrici.  

Corsin Battaglia e la ricercatrice Marie-Claude Bay dell’Empa. Il laboratorio federale è strettamente implicato nella ricerca europea sulle batterie. Empa

“Vogliamo ridurre la quantità di cobalto e aumentare quella di nichel”, indica il ricercatore dell’Empa. Il cobalto è uno dei materiali più costosi presenti in una batteria. I produttori stanno cercando di limitarne l’uso poiché l’approvvigionamento può essere difficile. Circa il 70% del cobalto nel mondo proviene dalla Repubblica democratica del Congo, dove le condizioni dei minatori sono problematiche, e la maggior parte della raffinazione avviene in Cina.

Creare la batteria ideale è complicato e spesso bisogna scendere a compromessi, spiega Battaglia. Il nichel aumenta la densità energetica ed è più economico, ma fa sì che la batteria si degradi più velocemente, precisa.

Il suo gruppo sta anche lavorando allo sviluppo di nuovi sensori che facilitino la ricarica rapida. “Vogliamo capire la temperatura e il potenziale all’interno della batteria e misurarlo più rapidamente per dare una spinta alla ricarica rapida”, dice Battaglia.  

Un impiegato assembla una batteria nella fabbrica della Leclanche a Yverdon-les-Bains, nella Svizzera occidentale. La Leclanche SA è leader mondiale nell’accumulo energetico tramite tecnologie basate sulle celle a ioni di litio. Keystone / Laurent Gillieron

Batterie allo stato solido

C’è molto fermento nel settore per le batterie allo stato solido che utilizzano elettroliti solidi per rimpiazzare la soluzione liquida infiammabile delle batterie a ioni di litio. Dovrebbero essere più efficienti, sicure e utilizzare meno materie prime. I prototipi suggeriscono che, a pari volume, potrebbero accumulare l’80% di energia in più rispetto alle batterie a ioni di litio.

Sembra che queste tecnologie possano offrire molti vantaggi, spiega Battaglia. Tuttavia, restano per ora solo “potenziali” vantaggi, confinati nei laboratori. È difficile sviluppare una batteria con una grande capienza energetica e un’elevata longevità, dice.

“Non è un problema fare una batteria con il doppio della densità energetica, ma poi, dopo forse 20 ricariche, è morta “, spiega il ricercatore. La capienza energetica può infatti essere aumentata rimpiazzando la grafite con litio metallico, ma una tale batteria formerà più velocemente dendriti che ne ridurranno la longevità.

Se si diffondessero, le batterie allo stato solido potrebbero risolvere sia i problemi legati alla densità energetica che quelli di longevità. L’Empa sta lavorando con una dozzina di partner europei al progetto “SOLIDIFY” che intende sviluppare la produzione delle batterie di “generazione 4b”, batterie allo stato solido che potrebbero entrare nel mercato tra dieci anni.

Accumulo stazionario efficiente  

I sistemi stazionari che possono accumulare energia rinnovabile promettono anch’essi di diffondersi ampiamente nei prossimi decenni. Le batterie a ioni di litio e a litio NMC sono già utilizzate per immagazzinare l’energia eolica e solare prodotta nelle case.

Gli scienziati stanno esplorando alternative che utilizzano per esempio zinco, vanadio o sodio, materiali che sembrano essere adatti all’accumulo stazionario. Ma devono essere sviluppate per soddisfare la crescente richiesta ed essere competitive.

L’Empa è uno dei dodici partner che stanno cercando di farlo nell’ambito del progetto “SOLSTICE”, al quale partecipano anche le aziende elvetiche FZONICK e Quantis. Lo scopo è sviluppare batterie a sale fuso di zinco e sodio che funzionano ad alte temperature e possono essere usate per immagazzinare energia.

Le batterie promettono di diventare sempre più importanti negli anni a venire con il moltiplicarsi dei veicoli elettrici e degli accumulatori di energia rinnovabile. E il mercato fa gola alle aziende elvetiche, dice Battaglia.

“Sono stato avvicinato da molte ditte svizzere che non operano nel settore delle batterie, ma lo considerano un mercato al quale potrebbero accedere con la loro esperienza di produzione o integrazione.”  

Simposio svizzero sull’economia verde

Il simposioCollegamento esterno in programma a Winterthur il 2-3 settembre 2021 riunisce partecipanti del settore pubblico e privato al fine di discutere le sfide e le soluzioni per raggiungere gli Obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite. Le energie rinnovabili e l’approvvigionamento di materie prime sono tra i temi principali dell’edizione di quest’anno.

SWI swissinfo.ch, in qualità di partner mediatico, co-organizza e modera un forum sulla comunicazione efficace e sostenibile che include una presentazione sul giornalismo delle soluzioni (“solutions journalism”).