Dalla materia prima alla batteria per auto (quasi) finita

Dopo il 2035, in Europa non dovranno più essere vendute nuove auto con motori a combustione. Per raggiungere questo ambizioso obiettivo, è necessaria soprattutto una cosa: batterie migliori, in modo che le auto elettriche si ricarichino più velocemente, percorrano distanze maggiori e abbiano un'impronta ecologica minore. Un gran numero di importanti progetti di ricerca sta supportando l'industria delle batterie e quella automobilistica nello sviluppo delle batterie del futuro. Uno di questi, un progetto Horizon 2020 chiamato "SeNSE", si è concluso con successo all'inizio del 2024.

Il progetto quadriennale dell'UE, con un budget totale di oltre 10 milioni di euro, è stato avviato e guidato dai ricercatori del laboratorio "Materials for Energy Conversion" dell'Empa. Al momento dell'invito a presentare proposte, il laboratorio, relativamente giovane, era ancora poco conosciuto nel campo della ricerca sulle batterie. Il responsabile del laboratorio Corsin Battaglia sapeva che per partecipare a un progetto europeo sulle batterie, lui e i suoi ricercatori avrebbero dovuto crearne uno da soli. Ci sono riusciti: Battaglia e il suo collega Ruben-Simon Kühnel sono riusciti a coinvolgere istituzioni accademiche e aziende industriali di tutto il mondo e hanno vinto la gara d'appalto.

Tecnologie per oggi

L'obiettivo di "SeNSE" era allo stesso tempo pragmatico e ambizioso. Gli undici team volevano sviluppare soluzioni per le batterie agli ioni di litio di prossima generazione - la prossima generazione, sottolinea Battaglia, e non la prossima ma una. In altre parole: Alla fine del progetto, i materiali e le tecnologie sviluppate dovrebbero essere il più possibile vicini alla produzione su scala industriale, e quindi all'utilizzo nelle auto elettriche. "Stiamo anche studiando tecnologie per batterie potenzialmente migliori di quelle agli ioni di litio: più sostenibili, più sicure e con una maggiore densità energetica", dice Battaglia. "Ma ci vorranno ancora alcuni anni prima che possano essere prodotte a livello industriale. In 'SeNSE', volevamo sviluppare tecnologie che potessero essere installate nelle auto elettriche pronte per il mercato entro pochi anni".

Per raggiungere questo obiettivo, i membri del progetto hanno attraversato quasi l'intera catena del valore della produzione di batterie in soli quattro anni: dallo sviluppo di nuovi materiali, alla loro scalabilità, fino alla loro installazione nelle celle delle batterie. Le celle, che hanno le dimensioni di uno smartphone, sono state prodotte dall'Istituto austriaco di tecnologia (AIT). FPT Motorenforschung AG, il centro di innovazione del marchio FPT Industrial, che fa parte del Gruppo Iveco, è stato poi in grado di installarle in un modulo pronto all'uso, così come viene installato in un veicolo elettrico - compresi l'elettronica e il software associati.

Tutti i componenti sono stati ulteriormente sviluppati

Il modulo "SeNSE" presenta diversi miglioramenti rispetto alle batterie attuali: Una maggiore densità di energia e un bilancio ambientale più favorevole, una capacità di ricarica rapida e una maggiore sicurezza antincendio e, naturalmente, un buon rapporto qualità-prezzo. Tutti i componenti principali della batteria sono stati ulteriormente sviluppati nel progetto. Il catodo contiene solo la metà della materia prima critica, il cobalto, rispetto alle batterie attuali. Nell'anodo, i team del progetto sono riusciti a sostituire parte della grafite - anch'essa classificata come critica proprio per la produzione di batterie - con il silicio, uno degli elementi più comuni della crosta terrestre.

Anche l'elettrolita - il liquido che trasferisce gli ioni tra gli elettrodi e che permette di caricare e scaricare la batteria - è stato migliorato. I ricercatori dell'Empa hanno svolto un ruolo di primo piano. "Gli elettroliti tradizionali sono infiammabili", spiega Kühnel, ricercatore dell'Empa. "Siamo stati in grado di ridurre notevolmente l'infiammabilità utilizzando alcuni additivi senza compromettere la conduttività, che è fondamentale per la carica e la scarica rapida". Per migliorare ulteriormente la capacità di ricarica rapida, l'Università di Coventry e FPT Motorenforschung AG hanno anche sviluppato un sofisticato sistema di gestione della temperatura per il modulo pilota. I sensori incorporati direttamente nelle celle monitorano la temperatura all'interno della batteria in tempo reale. Un algoritmo appositamente sviluppato è in grado di caricare la cella sempre alla velocità necessaria per evitare che venga danneggiata dal surriscaldamento.

Battaglia e Kühnel citano la scalabilità e il trasferimento diretto all'industria come il più grande successo del progetto. Le aziende industriali coinvolte sono già state in grado di registrare diversi brevetti per i nuovi sviluppi di "SeNSE", di costruire impianti di produzione pilota e di assicurarsi i finanziamenti degli investitori, nonché di incorporare le conoscenze acquisite in altre tecnologie di batterie. L'azienda chimica Huntsman ha persino introdotto sul mercato l'additivo al piombo utilizzato negli elettrodi "SeNSE", che è ora disponibile per i produttori di batterie.

Il passo successivo

Il percorso verso il successo non è stato privo di ostacoli. Oltre alle grandi sfide organizzative poste dalla pandemia, dall'instabilità delle catene di approvvigionamento e dall'aumento dei prezzi delle materie prime e dell'energia, ci sono state anche difficoltà tecniche. Ad esempio, le celle prototipo non sono ancora stabili come il team del progetto vorrebbe. Anche la scalabilità, per quanto riuscita, è lungi dall'essere completa. "Abbiamo scalato tutti i nuovi sviluppi dal laboratorio alla scala pilota", dice Battaglia. "Per la produzione in una cosiddetta gigafactory, ad esempio quella del nostro partner di progetto Northvolt, con una capacità produttiva annua di diversi gigawattora di batterie, l'intera produzione di materiali dovrebbe essere nuovamente scalata di un fattore 1000". Ciò richiede l'impegno dell'industria.

Nel frattempo, i ricercatori dell'Empa stanno già rivolgendo la loro attenzione al prossimo progetto europeo sulle batterie. "SeNSE" aveva tre progetti gemelli che sono stati finanziati nella stessa gara d'appalto. "Abbiamo fondato un cluster comune per la ricerca sulle batterie e ci scambiamo regolarmente informazioni", dice Kühnel. I coordinatori dei quattro progetti hanno ora lanciato un progetto di ricerca congiunto "Horizon Europe" chiamato "IntelLiGent". L'obiettivo è sviluppare celle ad alta tensione senza cobalto per le auto elettriche.