Componenti strategiche per lo stoccaggio dell’energia e la mobilità elettrica, le batterie sono sempre più richieste. Si lavora a migliorarne le prestazioni e a renderne più affidabili e sostenibili i materiali. In entrambi i casi, vengono in aiuto i sistemi di intelligenza artificiale.
Le batterie del futuro sono chiamate ad affrontare una duplice sfida: gestire una sempre maggiore generazione energetica dalle fonti rinnovabili e alimentare una flotta di veicoli elettrici in progressiva crescita.
Nel caso dell’energia, «siamo sulla buona strada per aggiungere, nei prossimi cinque anni, più capacità rinnovabile di quella installata da quando la prima centrale elettrica commerciale a energia rinnovabile fu costruita più di 100 anni fa» afferma l’Agenzia internazionale dell’Energia nel report Renewables 2023. Il 95% dei quasi 3.700 GW di questa nuova capacità proverrà da fonti intermittenti come fotovoltaico ed eolico.
Inoltre, le batterie del futuro saranno chiamate a gestire l’impatto crescente sulla rete elettrica della generazione distribuita, contribuendo a mantenere le reti stabili e affidabili a fronte dell’aumentata domanda.
Per quanto riguarda la mobilità elettrica, l’Agenzia Internazionale per l’Energia, nel Global EV Outlook 2024 da poco pubblicato, stima che – nel mondo, per questo 2024 – più di un’auto su cinque venduta sarà elettrica, con una domanda in aumento prevista nel prossimo decennio. Entro il 2030, si prevede che i veicoli elettrici supereranno i due terzi delle vendite globali di auto [fonte: Rocky Mountain Institute].
In questo scenario, aumenterà notevolmente la richiesta di batterie, il cui mercato globale si stima che sfiorerà i 424 miliardi di dollari nel 2030, un valore quasi quadruplo rispetto al 2021 [fonte: Statista]. Questa forte richiesta richiede una disponibilità adeguata di soluzioni e, per questo, c’è necessità di contare su approvvigionamenti di materie prime.
Oggi, le batterie agli ioni di litio sono la soluzione più utilizzata, specie nell’e-mobility. Qui si evidenziano le principali criticità, in termini di approvvigionamento: il 75% della produzione mondiale di litio proviene da Australia e Cile; nel caso del cobalto, utilizzato nelle batterie Li-Ion, il 70% proviene dalla Repubblica Democratica del Congo. In entrambi i casi, la lavorazione avviene prevalentemente in Cina, specifica IEA nel contributo Grid-scale storage.
La ricerca, da tempo, è impegnata nel trovare soluzioni capaci di soddisfare molteplici esigenze, studiando chimiche alternative e altrettanto performanti, sia per le finalità di energy storage sia per la mobilità elettrica. A tal fine, vengono sempre più impiegate tecniche di intelligenza artificiale per affinare le scoperte, ottenendo risultati lusinghieri.
Takeaway
Cos’è una batteria
La batteria è un dispositivo elettrochimico che trasforma l’energia chimica in energia elettrica attraverso una reazione di ossidoriduzione. Raggruppa in sé svariate celle elettrochimiche, ciascuna delle quali conta su tre elementi fondamentali: l’anodo, il catodo e l’elettrolita.
L’anodo (polo negativo) è il terminale che cede elettroni a un circuito esterno alla cella durante la reazione elettrochimica, mentre il catodo (polo positivo), accetta gli elettroni dal circuito esterno. L’elettrolita è il conduttore ionico che rappresenta il mezzo in cui avviene il trasferimento degli ioni negativi e positivi. Può essere liquido o solido: nel primo caso è costituito da un solvente (per esempio, l’acqua) dove è disciolto un sale, un acido o una base.
Le batterie agli ioni di litio, come detto, sono le più adoperate in molteplici ambiti, dai dispositivi elettronici portatili alle auto elettriche. Il motivo di questa preferenza è legato alle loro caratteristiche: vantano un’elevata energia per unità di massa e volume rispetto ad altri sistemi di accumulo di energia elettrica. Inoltre, le batterie Li-Ion contano su un ottimo rapporto peso/potenza, elevata efficienza energetica, lunga durata unite alle buone prestazioni alle alte temperature.
La loro crescita, già oggi consistente, si prevede decisamente più forte con lo sviluppo dei veicoli elettrici. Da qui al 2030 la domanda globale aumenterà da circa 700 GWh nel 2022 a circa 4,7 TWh entro il 2030 [fonte: McKinsey]. Le batterie del prossimo futuro, per lo meno nell’automotive, saranno quindi quelle Li-Ion.
Nell’ultimo secolo, le batterie sono state al centro di continue innovazioni, grazie all’impulso della ricerca. Per comprendere quanto interesse ci sia stato sulle batterie, può essere utile considerare le domande di brevetto presentate all’European Patent Office nel 2023. Il comparto “macchine elettriche, elettrodomestici ed energia” ha registrato un +12,2% rispetto al 2022. Di esso fanno parte le invenzioni cleantech, in particolare le batterie. Proprio queste ultime hanno fatto registrare un incremento significativo (+28%).
Nuove chimiche per le batterie del futuro, grazie al supporto dell’intelligenza artificiale
Riguardo alle batterie del futuro, l’interesse della ricerca è orientato alle prestazioni e alla selezione di alternative più sostenibili (soprattutto a livello economico) rispetto ad alcuni dei materiali più importanti, tra questi litio, nichel e cobalto. Quest’ultimo, in particolare, è caratterizzata da forti fluttuazioni di prezzo: è passato da 60mila dollari a tonnellata a 32mila nel 2023, a causa di un surplus di mercato, ma le previsioni lo danno in rialzo al 2027 [fonte: Reuters].
Per creare nuove soluzioni, le tecniche di intelligenza artificiale rappresentano un valido aiuto. Nel caso di uno studio condotto da Austin Sendek, professore di Materials Science and Engineering alla Stanford University, è stato individuato l’elettrolita agli ioni di litio LBS (Litio-Boro-Zolfo) che ha mostrato significative caratteristiche di stabilità. Sendek e il suo team hanno lavorato sette anni, esaminando materiali contenenti litio per trovare candidati promettenti per elettroliti solidi. Da oltre 12mila materiali noti, contenenti litio, gli algoritmi AI messi a punto dai ricercatori hanno identificato 21 candidati. Attraverso successive simulazioni, hanno ulteriormente perfezionato la loro indagine, focalizzandosi su quattro nuovi composti, che hanno rivelato un grande potenziale per le batterie a stato solido.
Questo accadeva nel 2020. Una ricerca condotta quest’anno (2024) dal Pacific Northwest National Laboratory e da Microsoft ha mostrato come sia possibile velocizzare i risultati contando sull’impiego congiunto dell’AI e di calcolo ad alte prestazioni. Nel caso specifico, la ricerca Microsoft-PNNL si è focalizzata sulla ricerca di possibili elettroliti a stato solido per applicazioni su batterie.
Come hanno descritto nell’articolo “Accelerating computational materials discovery with artificial intelligence and cloud high-performance computing: from large-scale screening to experimental validation”, combinando modelli di machine learning e modelli tradizionali basati sulla fisica, il team di scienziati ha sfruttato le potenzialità dell’high performance computing per indagare tra oltre 32 milioni di candidati. I risultati sono stati sorprendenti: i ricercatori hanno potuto individuare circa mezzo milione di materiali potenzialmente stabili in 80 ore.
Con questo tipo di approccio è stato possibile filtrare i materiali in base alla stabilità, riducendo la lista a meno di 600mila candidati. Ulteriori analisi basate sull’AI hanno permesso di selezionare i candidati con le proprietà elettriche e chimiche necessarie per le batterie, eliminando materiali rari, tossici o costosi.
Si è solo agli inizi, ma le potenzialità sono notevoli e potranno portare alla definizione di nuovi tipi di chimiche più sostenibili. Secondo quanto riportato da Microsoft, questo tipo di approccio potrà consentire, un giorno, di realizzare batterie del futuro contenenti il 70% in meno di litio rispetto alle attuali batterie Li-Ion.
Robotica, digital twins e machine learning abilitano le batterie del futuro
Lavorare a nuove chimiche è una delle finalità su cui si concentra la ricerca per le batterie del futuro. Si perfezionano nuovi metodi per l’individuazione di materie prime promettenti.
Un esempio è il lavoro congiunto svolto dai ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Advanced Materials Lab di Samsung – presentato nel recente articolo “Better battery manufacturing: Robotic lab vets new reaction design strategy” – finalizzato a miscelare ingredienti non convenzionali per sviluppare composti chimici per batterie più facili da produrre mediante un laboratorio robotico. Gli scienziati hanno adottato una strategia in grado di rendere i materiali privi di impurità in modo più affidabile rispetto ai metodi tradizionali che procedono per reazioni in sequenza. Tuttavia, spiegano gli stessi:
«Se i legami chimici nei composti intermedi sono difficili da rompere, potrebbero non reagire completamente con gli altri ingredienti. Quando non reagiscono completamente, gli intermedi rimangono come impurità indesiderate nel materiale finale»
Hanno proceduto usando bracci robotici, che hanno avuto il compito di manipolare gli ingredienti e azionare le apparecchiature di laboratorio utili a valutare la purezza dei materiali risultanti. Nel frattempo, vengono registrati i risultati di ciascun esperimento, creando un database, affinando i risultati in base all’efficacia delle ricette. Gli esperimenti hanno messo in evidenza che le nuove ricette hanno migliorato la purezza dei materiali fino all’80%.
Dalla ricerca all’industria, va segnalato il caso di SES AI, la prima azienda al mondo a fornire a una casa automobilistica prototipi avanzati di batterie con un particolare tipo di nuova tecnologia che sta lavorando con GM, Hyundai e Honda, come segnala l’articolo The EV Battery of Your Dreams Is Coming, pubblicato dal Wall Street Journal. Specializzata nella produzione di batterie con celle al litio metallico, sta sviluppando due piattaforme: una basata sui digital twins della batteria, l’altra sull’AI. La prima è usata per migliorare la tracciabilità, la gestione e il monitoraggio dello stato della batteria. Nel gemello digitale vengono comprese tutte le informazioni, a partire dalle miniere di provenienza dei materiali, alla produzione delle batterie e al loro riciclo a fine vita. Nella seconda piattaforma, spiega la stessa azienda, vengono addestrati modelli di machine learning per progettare nuovi materiali e processi.
Glimpses of Futures
Nella ricerca condotta per progettare le batterie del futuro, trovano spazio materie prime più disponibili – e sostenibili – come il sodio o il potassio.
In particolare, la citata ricerca condotta da PNNL e Microsoft ha messo in luce alcuni candidati per un nuovo elettrolita, simile a quello noto ma in grado di scambiare il litio col sodio. Ricordiamo che il sodio è tra gli elementi più abbondanti sulla Terra, per certi aspetti simile al litio ma, rispetto a quest’ultimo, presenta indubbi vantaggi economici. Anche da qui passa il futuro delle batterie per la transizione energetica.
Anticipando scenari futuri, ricorriamo ora alla matrice STEPS, per analizzare i possibili impatti che l’evoluzione della ricerca di materiali più affidabili e reperibili per le batterie potrebbe avere dal punto di vista sociale, tecnologico, economico, politico e della sostenibilità.
S – SOCIAL: il fattore critico delle batterie è legato ai materiali che le compongono. Quelli maggiormente utilizzati sono rame, grafite, nichel, litio, alluminio, manganese e cobalto. L’estrazione, diretta o indiretta, di alcuni di questi spesso comporta conseguenze socio-economiche per la popolazione locale, anche in termini di perdita di terreni agricoli e territori deteriorati. Le scelte che si stanno operando, in termini di chimiche per le batterie, guardano proprio alla volontà di ridurre quanto più possibile l’impatto ambientale e sociale. Un esempio: lo sviluppatore svedese Northvolt – che ha realizzato e sta sviluppando ulteriormente una gigafactory per la produzione di massa in Europa di batterie – ha annunciato quest’anno di aver messo a punto una batteria agli ioni di sodio pensata per sistemi di energy storage. Essa presenta una densità energetica migliore della categoria ed «è più sicura, economica e sostenibile rispetto ai prodotti chimici convenzionali al nichel, manganese e cobalto (NMC) o al fosfato di ferro (LFP) ed è prodotta con minerali come ferro e sodio che sono abbondanti sui mercati globali».
T – TECHNOLOGICAL: per sviluppare le batterie del futuro si stanno studiando soluzioni tecnologiche in grado di avere migliori prestazioni, sicurezza, stabilità e una maggiore autonomia. A questo proposito, si guarda con interesse alle batterie allo stato solido (chiamate così per l’elettrolita, solido anziché liquido), caratterizzate da una densità energetica più elevata rispetto a una tradizionale batteria agli ioni di litio, oltre che più leggera e con la possibilità di ricarica più velocemente. Inoltre, si considera con crescente attenzione l’impiego del potassio e del magnesio. In quest’ultimo caso, sono di esempio i risultati del team di ricercatori giapponesi dell’Università di Tohoku, pubblicati di recente, che hanno creato un nuovo materiale catodico per batterie ricaricabili al magnesio che consente carica e scarica efficienti anche a basse temperature.
E – ECONOMIC: la forte richiesta registrata sia per lo stoccaggio energetico sia per i veicoli elettrici avevano determinato forti aumenti di prezzo delle batterie nel 2022, scesi poi del 14% l’anno successivo, registrando il minimo storico di 139 dollari/kWh. Il calo è stato determinato dalla contrazione dei prezzi delle materie prime e dei componenti e da una aumentata capacità produttiva [fonte: BloombergNEF]. Goldman Sachs Research prevede un calo di quasi il 40% dei prezzi delle batterie tra il 2023 e il 2025, in un’analisi pubblicata quest’anno (2024) a cura di Nikhil Bhandari, co-responsabile dell’Asia-Pacific Natural Resources and Clean Energy Research.
P – POLITICAL: la transizione energetica, che trova nelle batterie un componente strategico, ha ottenuto un importante supporto da alcune decisioni politiche. L’Inflaction Reduction Act e la Bipartisan Infrastructure Law, attuati dal Governo USA, hanno impresso una forte accelerazione allo sviluppo di impianti a fonti rinnovabili, nonché alla realizzazione di centri di produzione delle batterie. L’anno scorso, negli Stati Uniti, sono stati investiti 239 miliardi di dollari nella produzione e diffusione di soluzioni cleantech, registrando un aumento del 38% rispetto al 2022 [fonte: Clean Investment Monitor]. La Commissione Europea ha lanciato nel 2017 la European Battery Alliance, per sviluppare un’industria europea competitiva sulle batterie, arrivando, tre anni dopo, alla costruzione della prima gigafactory in UE. Inoltre, in attesa che venga approvato Net-Zero Industry Act (NZIA), ha varato BATT4EU, un partenariato pubblico-privato co-programmato istituito nell’ambito di Horizon Europe, il cui obiettivo principale è garantire che i finanziamenti stanziati per la ricerca sulle batterie siano spesi nel modo più efficace ed efficiente.
S – SUSTAINABILITY: una delle partite decisive per le batterie di nuova generazione si giocherà sulla riduzione dell’impatto ambientale e della circolarità dei materiali a fine vita. A quest’ultimo proposito, nel 2023, il Parlamento e il Consiglio Europeo hanno varato un regolamento europeo (UE) 2023/1542 D) per garantire la raccolta, il riciclo e il riuso delle batterie in Europa, garantendo che le batterie immesse sul mercato unico dell’UE potranno contenere solo una quantità limitata di sostanze nocive necessarie. Le gigafactory vengono realizzate prevedendo già al loro interno la possibilità di riciclare componenti e materiali delle batterie a fine vita. Per ridurre l’impatto ambientale, l’adozione di materie prime più sostenibili e reperibili come sodio, magnesio e potassio in sostituzione di materiali più impattanti è una strada che si sta percorrendo con sempre maggiore interesse.
