Le batterie di domani e di dopo domani, secondo Daimler. Ce le racconta il professor Andreas Hintennach, capo di tutta la ricerca e sviluppo del gruppo tedesco. Chimica, assemblaggio, gestione elettronica, sostenibilità e riciclo sono il suo pane quotidiano. In un’intervista pubblicata sul sito del gruppo lo condivide con il largo pubblico, illustrando a 360 gradi presente e futuro delle batterie, come lo vede Daimler.
Il presente è ancora la chimica del litio-ioni che però sarà ottimizzata sia nelle prestazioni sia nella sostenibilità. A medio-lungo termine avremo altre chimiche (silicio, litio-zolfo, litio-aria) e altre architetture, per esempio le batterie allo stato solido. Fino alle futuribili batterie organiche biodegradabili. Tutte le soluzioni hanno pro e contro, sostiene, ma c’è di bello che tutte sono promettenti e possono essere sviluppate e introdotte sul mercato. Non esiste a suo giudizio un “Santo Graal”: ogni tecnologia avrà applicazioni specifiche su veicoli diversi. Infine esclude che si arrivi a batterie standardizzate. Il pacco batteria è il componente più critico dei veicoli elettrici ed è parte integrante della sua architettura. Oltre a ottenere la massima densità energetica possibile, svolgono un ruolo cruciale altri aspetti come la sicurezza, il peso e la sostenibilità. Ecco il testo
Professor Hintennach, lei sta lavorando alla ricerca nel campo delle batterie per tutto il gruppo Daimler; è l’argomento più “caldo” nello sviluppo dei veicoli elettrici. In che modo l’affronta?
La tecnologia delle batterie è un elemento chiave della mobilità elettrica. Non può essere un prodotto standard, poiché è parte integrante dell’architettura del veicolo. Pertanto copriamo tutte le fasi, dalla ricerca fondamentale all’ industrializzazione. Le nostre attività comprendono l’ottimizzazione continua dell’attuale generazione di batterie agli ioni di litio, l’ulteriore sviluppo di celle già disponibili sul mercato mondiale e la ricerca di batterie di nuova generazione. Ma ovviamente, c’è ancora di più. Stiamo anche lavorando al sistema di gestione della batteria, che è un sistema informatico complesso su cui si può ancora migliorare. Anche la gestione termica è un argomento importante. È responsabile della vita e anche delle prestazioni del pacco batteria.
Batterie litio ioni, ancora un lungo futuro in Daimler
Qual è il vostro focus attuale?
Mentre il nostro nuovissimo modello EQC viene introdotto sul mercato, stiamo preparando la strada per le prossime generazioni di potenti veicoli elettrici a batteria del gruppo Daimler. Le batterie agli ioni di litio sono il tipo più comune oggi utilizzato nell’elettronica e nei veicoli elettrici. Negli anni a venire, questa tecnologia continuerà ad essere il punto di riferimento, ma c’è ancora molto da fare. Per quanto riguarda la ricerca e lo sviluppo, seguiamo diversi principi guida specifici. Lavoriamo costantemente su innovazione e alternative che vanno oltre agli ioni di litio, non ultimo per quanto riguarda la densità energetica, i tempi di ricarica, la sostenibilità. Ad esempio, abbiamo stretto una partnership di sostenibilità con Farasis Energy (Ganzhou) per adottare un approccio olistico lungo l’intera catena del valore. Partendo dalle batterie della prossima generazione di veicoli Daimler con marchio EQ che sono già state prodotte utilizzando elettricità al 100% da fonti rinnovabili. Le nostre competenze per la valutazione tecnologica di materiali e celle, nonché le attività di ricerca e sviluppo, vengono costantemente ampliate.
Quindi non si tratta solo di aumentare i kWh per pacco batteria?
La capacità energetica è importante, ovviamente. Ma c’è di più: la sicurezza è un fattore decisivo per noi. L’utilizzo di materiali alternativi potrebbe consentire di ottenere una capacità maggiore, ma scendendo a compromessi in termini di sicurezza. Per noi, questo è assolutamente da escludere. Una Mercedes-Benz deve essere il punto di riferimento in termini di sicurezza, e questo vale anche per il suo pacco batteria. Un altro dei nostri principi guida è anche la flessibilità. I casi d’uso per le batterie in Daimler sono diversi e numerosi: dalle Smart, alle auto e furgoni Mercedes-Benz fino a autobus e camion pesanti in una gamma che comprende mild hybrid, ibridi plug in e veicoli puramente elettriche. E, naturalmente, tutte le soluzioni che proponiamo devono essere sostenibili.
La sostenibilità delle batterie, un must per Daimler
Quanto è importante la sostenibilità nello sviluppo?
La sostenibilità è diventata il principio fondamentale per qualsiasi attività di sviluppo delle batterie in Daimler. Poiché la produzione di veicoli richiede naturalmente un’elevata quantità di materie prime, uno dei nostri obiettivi di sviluppo è quello di ridurre al minimo la necessità di risorse naturali, ma anche di aumentare innanzitutto la trasparenza . Durante lo sviluppo, creiamo un concetto per ciascun modello di veicolo in cui tutti i componenti e materiali vengono analizzati per la loro idoneità nel contesto di un’economia circolare. Per quanto riguarda le batterie, questo concetto è già utilizzato per sostituire i materiali rari, ridurli al minimo o utilizzarli in modo più efficiente. Inoltre, la riciclabilità è già una pre condizione. Quindi la produzione di batterie diventa parte di un approccio olistico: un circuito chiuso, la cosiddetta economia circolare.
Qual è l’impatto ambientale dei veicoli elettrici? E’ vero che la propulsione elettrica ha un impatto ambientale peggiore rispetto a quella a combustione, in fase di produzione?
La produzione del motore a combustione è stata costantemente migliorata negli ultimi 133 anni. Batterie e celle a combustibile, viceversa, cominciano ora ad essere sviluppate. Iniziano la loro vita con più emissioni a causa del maggiore fabbisogno energetico. Tuttavia, in termini di funzionamento sono entrambi molto più efficienti. E questo paga nel lungo periodo. Anche se non li ricarichiamo utilizzando elettricità “verde”, i veicoli alimentati a batteria generano circa il 40% in meno di emissioni durante il loro ciclo di vita rispetto ai veicoli con motore a benzina e il 30% in meno rispetto ai veicoli diesel. E in questo calcolo, non prendiamo nemmeno in considerazione i nostiri target di riduzione delle emissioni di qui al 2039 e il riciclo delle materie prime che verranno incorporate nel ciclo produttivo in futuro. Entrambi miglioreranno ulteriormente la sostenibilità dei nostri veicoli in modo olistico,“Ambition2039” . Oggi, i nostri veicoli sono già riciclabili al 95 percento.
Quanto tempo ci vorrà per creare un mercato delle materie prime riciclate?
Tra otto e dieci anni ci sarà un numero significativo di batterie per veicoli disponibili per il riciclaggio. Quindi in particolare cobalto, nichel, rame e successivamente anche silicio verranno riciclati. Siamo già molto ben preparati e i processi sono in atto, così come le opportunità di riportare le materie prime secondarie nel ciclo produttivo. Attualmente lo facciamo con le nostre batterie di prova. La creazione di un mercato funzionante per le materie prime secondarie in Europa è di grande importanza politica, poiché l’Europa ha penuria di fonti primarie. Ma stiamo ovviamente facendo tutto il possibile per garantire che le batterie durino il più a lungo possibile.
Batterie al silicio, è la scommessa di Daimler
Quali materiali sono utilizzati nella batteria?
Con la tecnologia agli ioni di litio la struttura delle celle è sempre simile, indipendentemente dal fatto che si tratti di un telefono cellulare o di una batteria EV. Ci sono sempre due fogli di metallo, come rame e alluminio. Tra le lamine si trovano i due poli con il catodo e l’anodo, tra i quali avviene la reazione elettrica. Per la reazione è richiesto un metallo reattivo come il litio. Il principale fattore di costo è la composizione del catodo, ovvero il polo positivo della batteria. È costituito da una miscela di nichel, manganese e cobalto. L’anodo è costituito da polvere di grafite, litio, elettroliti e un separatore.
Lei ha parlato anche di silicio. Dove entra in gioco?
Il silicio sostituirà ampiamente la polvere di grafite in futuro. Ciò ci consentirà di aumentare la densità di energia delle batterie fino a circa il 20-25%. Il silicio ci consente di utilizzare materiali sul lato del catodo che non sono compatibili con la grafite attualmente in uso. Immagina due bicchieri. Se vuoi versare acqua dall’una all’altra, la seconda dovrebbe avere almeno le stesse dimensioni in modo che non trabocchi. Allo stesso modo, l’anodo e il catodo dovrebbero armonizzarsi; è quello che chiamiamo “bilanciamento”. Il silicio consente anche di migliorare la velocità di ricarica.
Meno cobalto, e cobalto più “pulito”
Il cobalto è spesso associato a violazioni dei diritti umani e danni all’ambiente al momento dell’estrazione, in particolare quando proviene dalla Repubblica Democratica del Congo. Cosa sta facendo Daimler al riguardo?
Abbiamo sviluppato un approccio che mira a garantire che i nostri fornitori soddisfino i nostri requisiti in termini di sostenibilità e, in tal modo, puntiamo a raggiungere una maggiore trasparenza nella catena di approvvigionamento. A tal fine, abbiamo incaricato una società di revisione contabile di chiarire e monitorare ogni fase della catena di approvvigionamento del cobalto conformemente agli standard OCSE. Dopotutto, l’elettromobilità è veramente sostenibile solo se le materie prime vengono estratte in condizioni sostenibili.
Un’altra strategia è quella di sostituire il cobalto con altri materiali meno critici …
Stiamo facendo ricerche anche su questo. Con l’attuale generazione di pile a batteria, siamo già stati in grado di ridurre la percentuale di cobalto nel materiale attivo (nichel, manganese, cobalto, litio) da circa un terzo a meno del 20%. In laboratorio stiamo attualmente lavorando con meno del dieci percento e la quota è destinata a diminuire ancora di più in futuro. Dal punto di vista chimico ci sono molte soluzioni che consentirebbero di fare del tutto a meno del cobalto. Più viene ridotta la miscela di materiali, più facile ed efficiente è riciclare. Anche l’energia richiesta per la produzione chimica è ridotta perché la miscela è più facile da produrre.
Cosa sostituirà il cobalto e altri materiali come il litio?
Con materiali a base principalmente di manganese, una materia prima meno problematica dal punto di vista ecologico e più facile da lavorare. Eccellenti strutture di riciclaggio sono già in atto per il manganese perché è stato usato per decenni nelle batterie alcaline (batterie non ricaricabili). Il compito dei ricercatori è rendere questo tipo di batteria ricaricabile. Prevediamo che la tecnologia sarà pronta per il mercato entro la seconda metà degli anni ’20. Un’altra alternativa è la batteria al litio/zolfo. Lo zolfo è un prodotto di scarto industriale con quasi nessun costo che è molto puro e può essere facilmente riciclato. Pone sfide significative per quanto riguarda la densità di energia, ma ha anche un bilancio ambientale imbattibile. Tuttavia, potrebbero essere necessari anni prima che questa tecnologia sia disponibile per le autovetture.
Litio-zolfo, magnesio & litio-aria
Anche il litio è oggetto di critiche. Anche questa materia prima può essere sostituita?
Può. La batteria allo zolfo di magnesio, ad esempio, non contiene litio. Conosciamo il magnesio della nostra vita quotidiana sotto forma di gesso. Il grande vantaggio è che è disponibile gratuitamente. L’area dello Swabian Alb, a sud di Stoccara, è costituito interamente da gesso, per esempio. Tuttavia, la nostra ricerca è attualmente in fase di laboratorio.
Quindi al momento non ci sono alternative alla batteria agli ioni di litio?
Ci sono, in alcune applicazioni. Esistono persino tecnologie superiori alla batteria agli ioni di litio. Queste includono la batteria a stato solido, che useremo nel nostro autobus urbano Mercedes-Benz eCitaro entro la seconda metà degli anni ’20. La tecnologia ha un ciclo di vita molto lungo e non include cobalto, nichel o manganese. Tuttavia, la sua densità di energia è inferiore, il che la rende relativamente grande e lenta da caricare. Ecco perché è buona per i veicoli commerciali ma non per le autovetture. Le batterie agli ioni di litio accompagnerà Daimler e con gli altri costruttori di auto per gli anni a venire.
Batterie a stato solido? Ok sui mezzi pesanti
Quale sarà il prossimo “Santo Graal”? Le batterie a stato solido sono il futuro?
Non esiste una sola tecnologia post-ioni di litio. Che si tratti di celle con elettroliti a stato solido, anodi di litio metallico o sistemi di litio-zolfo – tutte le tecnologie differiscono per requisiti specifici di materiale, applicazioni e, non ultimo, livello di maturità. Ogni tecnologia ha i suoi pro e contro specifici. La buona notizia è che esistono diversi percorsi che riducono il rischio di finire in un vicolo cieco. Non ancora dietro l’angolo – ma anche non molto lontane – sono batterie in cui il rivestimento di grafite dell’anodo può essere sostituito con nuovi materiali come un foglio di litio-metallo o polvere di silicio. Entrambi aumentano di gran lunga la densità di energia. Ciò porta a una capienza maggiore e potrebbe persino supportare la ricarica rapida. Tutte le batterie a stato solido hanno grandi vantaggi in termini di sicurezza, ma stiamo ancora lavorando sulla ricarica rapida e su una durata maggiore prima di poter dire “questa è la tecnologia che dovremmo portare sulla strada ora” sulle nostre autovetture.
E cosa accadrà più avanti?
Il litio-zolfo è una possibile alternativa. Sostituire il nichel e il cobalto delle batterie di oggi con lo zolfo aumenterebbe significativamente la sostenibilità. Anche la densità di energia ha un grande potenziale, ma la durata della vita non è ancora abbastanza lunga e ci vorrà un po ‘prima che ci sia una svolta in questo settore. Nelle batterie al litio-aria, c’è davvero solo litio. Il resto – l’ossigeno – viene semplicemente dall’aria. Chimicamente, è un concetto simile a quello che hai in una cella a combustibile, dove stiamo usando l’idrogeno. La densità energetica sarebbe eccezionale, ma questa tecnologia è ancora abbastanza lontana.
Il futuro è nelle batterie organiche
Con il vostro veicolo sperimentale VISION AVTR siete andati oltre, ben oltre domani. La tecnologia delle batterie organiche, secondo Daimler, è davvero un’opzione?
Con VISION AVTR, Mercedes-Benz presenta una visione sostenibile della mobilità senza emissioni, anche quando si tratta di tecnologia d’avanguardia. Per la prima volta, la sua rivoluzionaria tecnologia consiste nella chimica delle cellule organiche a base di grafene e quindi non utilizza materiali rari, tossici o costosi come i metalli. Ciò renderebbe la mobilità elettrica indipendente dalle risorse fossili. Una rivoluzione assoluta è la riciclabilità al 100% attraverso il compostaggio dovuto alla biodegradabilità; un esempio lampante di una futura economia circolare nel settore delle materie prime. Oltre a una densità di energia esponenzialmente elevata, la tecnologia colpisce anche per la sua eccezionale capacità di ricarica rapida. Le batterie organiche fanno attualmente parte della nostra ricerca fondamentale.
LEGGI ANCHE: Batterie litio-ioni, quel che c’è da sapere (e abbiamo già scritto)