Cattedra con vista su presente e futuro delle batterie

Il Professor Stefano Passerini all’Helmholtz Institute di Ulm ha sia un ruolo leader nella ricerca avanzata sia una visuale priva di ostacoli sui percorsi a cavallo tra innovazione e prodotto

Ascoltare il Professor Stefano Passerini parlare di batterie è come per un appassionato di motori ascoltare Adrian Newey spiegare come si progetta una monoposto. Con una differenza importante e tutt’altro che di dettaglio: all’Helmholtz Institute di Ulm il docente italiano e i colleghi tedeschi (e non) ogni giorno sono alle prese con ricerche e materiali di prodotti che nei veicoli o negli impianti di accumulo vedremo tra qualche anno. In altri termini è come se nel prestigioso istituto del Baden Württemberg un Newey stesse già progettando la sua Formula 1 del 2030. Chi guida o vorrebbe guidare un veicolo elettrico in effetti forse nemmeno pretende tanto.

Solo una piccola parte di auto nella batteria accoglie già le celle con chimica NCM (nickel cobalto manganese) 811 e nessuno ancora le NCM 955 che vengono considerate lo stadio più avanzato dal settore commerciale. Malgrado le difficoltà tecniche nell’aumentare la quantità di nickel (lo spessore dello strato SEI cresce man mano cresce il contenuto del materiale e i cicli si accumulano) la diffusione della chimica NCM 811 prosegue: possiamo considerarla lo stato dell’arte della performance oggi?

Oggi l’interesse per l’811 si spiega soprattutto perché impiega soltanto il 10% di cobalto, questa è la motivazione principale: la quantità di questo materiale disponibile non è elevata”, risponde il Direttore dell’Helmholtz Institute. “Comunque dell’811 si comincia a vedere qualcosa, soprattutto in Cina e anche in Corea del Sud. Ci arriveranno. Come soluzione commerciale non è tanto facile, ma il progresso è stato fatto rapidamente, perché fino a pochi anni fa si usava il litio cobalto ossido puro, ancora comune nell’elettronica di consumo. Oppure l’NCA, ma anche col nickel cobalto alluminio stanno cercando di abbassare la quota di cobalto quanto più possibile”.

Per il settore dei veicoli elettrici la tendenza dominante è ancora ad aumentare il nickel nelle celle NCM. Ma a livello industriale si stanno affacciando prodotti che invece propongono alti contenuti di manganese: le cosiddette celle NCM 217. La manifattura delle batterie sta facendo marcia indietro oppure va considerato un salto in avanti?

“Quello è un filone differente: la BASF in particolare sta lavorando a questa cosa su cui gli scienziati lavorano da molti anni. I materiali manganese-rich, che in verità sono stati introdotti da Michael Thackeray all’Argonne National Laboratory tanti anni fa, forse più di venti, offrono capacità sostanzialmente superiori agli NCM o anche al NCA. Però sfruttano una reazione nella prima carica che è irreversibile. Quindi uno dei problemi è che questi materiali, una volta che viene fatta avvenire questa conversione nella prima carica, offrono capacità molto elevate, ma soffrono di un certo tipo di degradazione con la ciclazione. La capacità diminuisce con il numero dei cicli ed anche il potenziale medio di cella diminuisce col numero dei cicli. Adesso ho visto che recentemente BASF ha dichiarato di avere un prodotto commerciale che può fare qualche migliaio di cicli con poca perdita”.

“A livello di laboratorio abbiamo celle con questo tipo di materiali che fanno 800, 1000, 2.000 cicli. Però lo scale up nell’industria va sempre coi piedi di piombo, soprattutto quando si tratta di cambiare chimica. Per gli investimenti che richiedono, ma non solo. Per esempio passare all’NCM 811 complica le cose perché è un materiale molto sensibile all’umidità. A differenza degli altri, lo stoccaggio di materiali NCM 811 in aria normale non è banale. Coinvolge il fatto di dover processare questi materiali in ambienti controllati, o almeno un po’ più controllati rispetto ad altri”.

Nel corso del congresso ABAA (Advanced Lithium Batteries for Automobile Applications) svoltosi ad Ulm lo scorso ottobre, gli esperti dell’istituto giapponese NEDO hanno pubblicato un grafico che mostra una curva dei costi delle batterie molto piatta nel corso di questa decade. Come se dopo la rapida diminuzione degli anni passati, tra 2020 e 2030 stia per diventare sempre più difficile continuare a ridurre i prezzi. Potrebbe essere questa la motivazione del riaffacciarsi dell’interesse, anche nel settore auto, per la meno onerosa chimica LFP?

“Le celle LFP per l’automotive non sono più molto utilizzabili, perché la quantità di energia che si riesce a accumulare in una batteria che impiega un elettrodo litio ferro fosfato è troppo bassa. Questa cella può ancora essere usata per veicoli con applicazioni limitate, magari per scooter o mezzi che hanno delle percorrenze molto limitate, come quelli che consegnano la posta in città, ad esempio. Ma su larga scala non è possibile. Perché i giapponesi del NEDO non prevedono un’ulteriore diminuzione? Perché a livello di progettazione oggi le celle sono veramente molto ingegnerizzate. Consideriamo che da quando le litio-ione sono state inventate, ci sono stati un po’ di progressi dal punto di vista chimico, ma grossa parte dell’aumento dell’energia accumulata che è circa il 300% della cella iniziale viene proprio dall‘engineering di cella, nelle celle non c’è quasi più nient’altro che il materiale attivo. Oltre tutto la produzione sta cominciando ad aumentare quindi i costi del materiale continueranno ad aumentare, soprattutto il cobalto. È per quello che al NEDO non prevedono una diminuzione elevata, non più almeno. Probabilmente i prezzi diminuiranno ancora ma solo un pochino“.

Proprio all’Helmholtz Institute peraltro avete effettuato uno studio pubblicato pochi giorni fa nel quale veniva impiegato un catodo LFP per un prototipo di batteria con elettroliti solid state. Di cosa si trattava?

“Nell’articolo uscito sulla rivista Small quello che dimostriamo più che altro è la possibilità di fare celle bipolari, abbiamo sì usato l’LFP ma cominceremo a usare anche catodi NCM. Nelle celle bipolari fondamentalmente quello che si somma non è la corrente di ogni singolo strato ma è il potenziale di ogni singolo strato. Collegandole in serie ovviamente aumenta la tensione di cella, aumentando la tensione di cella si può risparmiare moltissimo su tutti i conduttori, il motivo per cui le linee ad alta tensione sono fatte così: con lo stesso diametro di rame si può portare molta più energia. In quel lavoro lì abbiamo specificamente voluto dimostrare la possibilità di realizzare celle bipolari, collegate in serie all’interno del singolo involucro anziché in parallelo e quindi quello che si somma è il potenziale invece della corrente”.

“Sono interessanti a qualunque livello di applicazione. A livello di veicolo il vantaggio è che si risparmia moltissimo sul peso dei collettori di corrente. Se si va a vedere ad esempio la cella cilindrica Panasonic che usa Tesla, il peso dei collettori di corrente è elevato rispetto al peso totale della batteria, è una quota importante. Mettendo le celle in serie uno potrebbe usare collettori di corrente sottilissimi dello spessore di un micron risparmiando peso e quindi le prestazioni della cella vanno su tantissimo. Un po’ di rame ci vuole sempre, soprattutto se si userà il litio metallico, che non può venire a contatto con l’alluminio. Il vero vantaggio delle celle a stato solido, a parte l’assenza di componenti volatili che si infiammano facilmente, è la possibilità di realizzare le celle in serie e quindi diminuire il peso dei materiali accessori”.

Nel settore delle batterie c’è molta attesa per l’evento con cui presto Tesla presenterà le sue ultime novità. Vista l’acquisizione della startup Maxwell e dei suoi brevetti può essere arrivato il momento di scommettere su una batteria solvent-free?

“Bisogna capire bene, quando si parla di solventi per fare una cella. C’è il solvente che viene utilizzato per la preparazione degli elettrodi e che poi viene fatto evaporare, e lì sicuramente c’entra Maxwell, che ha un nuovo interessante procedimento per la preparazione degli elettrodi. E poi c’è il solvente che sta nell’elettrolita. Io non credo che Tesla adesso stia parlando di eliminare l’elettrolita liquido. Loro intendono il primo caso, e dal punto di vista ambientale è sicuramente migliore perché questi solventi che vengono utilizzati sono abbastanza tossici. E in Europa dove i limiti di legge sono molto più seri produrre batterie costa più caro per questo motivo. Credo che nella batteria che Tesla annuncerà ci sia ancora l’elettrolita liquido, il che vuol dire che i problemi di infiammabilità in caso di incidente non vengono eliminati”.

Il più noto consulente Tesla nel settore delle batterie, il Professor Jeff Dahn, in questi giorni ha pubblicato un articolo su Joule nel quale con i suoi collaboratori propone anodi misti che alla tradizionale grafite abbinano una percentuale di litio metallico. Può essere una soluzione transitoria in attesa di arrivare ad anodi al 100% in litio metallico?

“Questo è un articolo che ho visto proprio stamattina… Ce l’ho ancora qui: nell‘abstract del suo lavoro Jeff riporta un 99,6% di efficienza Coulombica, che significa ad ogni ciclo praticamente quanto se ne perde. Perdendo a ogni ciclo lo 0,4% significa che dopo 250 cicli la cella è morta, e quindi per cominciare pensarlo come soluzione per l’automotive direi che ce lo possiamo dimenticare. Ma l’articolo dice anche che questa capacità addizionale derivante dal litio metallico dovrebbe essere usata occasionalmente, ad esempio se uno deve fare in macchina un viaggio più lungo del solito. Penso che questo paper sia più collegato alla disponibilità da parte Tesla della rete di Supercharger, che si raccomanda di usare solo ogni tanto. Il fenomeno del plating del litio nelle celle agli ioni di litio che si verifica specie nelle ricariche veloci è cosa ben nota. Se ne sono accorti a suo tempo qui a Ulm proprio nel laboratorio di fronte al mio. Probabilmente Dahn avrà lavorato su come variare, su quali soluzioni vadano applicate alle celle in modo che soffrano di questo lithium plating il meno possibile, per fare sì che le auto Tesla possano essere ricaricate efficacemente col fast charging.

Quindi nonostante questa ricerca del professore canadese il lavoro dei molti ricercatori che studiano elettrodi in litio metallico non corre rischi di rivelarsi presto obsoleto?

“Dahn scrive che se ogni tanto il litio viene depositato in fase metallica la batteria non si degrada molto. Ma questo è ben diverso dalle possibilità di chi sta sviluppando celle con anodi in litio metallico. In verità questa è un po’ una evoluzione dell’approccio proposto dalla 3M, l’azienda che ha lavorato per tanti anni a miscele per un anodo misto grafite/silicio. Proprio un mio ex-studente aveva dimostrato che siccome nella maggior parte dei casi in effetti non c’è la necessità di scaricare la batteria della macchina ma la si scarica solo parzialmente, creare batterie ibride con un 30% di silicio, che è una percentuale alta, non era un grosso problema malgrado le prestazioni non eccezionali di questo materiale”.

“Solo alcune volte qualcuno deve fare un viaggio lungo scaricandola completamente. In questo modo la cella può essere ricaricata migliaia di volte senza problemi. Con il silicio questa cosa funziona bene, perché se è in miscela con la grafite viene attivato dopo la grafite durante la scarica. In questo caso non c’è problema, prima si scarica la grafite e uno il silicio lo tiene come riserva. Nel caso del plating del litio metallico questo purtroppo non è vero, è l’esatto contrario: se uno deposita il litio metallico, è la prima cosa attiva nella cella in fase di scarica. Quindi diciamo che l’approccio all’elettrodo ibrido della 3M con il silicio era vantaggioso, rispetto a quello proposto in questo articolo”.

Uscendo dal settore mainstream delle batterie agli ioni di litio, una parte della produzione di paper sempre crescente riguarda ormai le batterie agli ioni di sodio. Sarebbe esagerato dire che di recente è emerso un filone molto promettente per migliorarle lavorando sui solventi basati su glima (DME, dimetossietano) ?

Sugli ioni di sodio qui all’Helmholtz Institute ci lavoriamo tanto e in una fase si può anche dire che siamo stati dei leader. Si tratta di una alternativa alle celle litio-ione, che rimarranno come sembra quelle di elezione per i prossimi dieci anni a livello di vendite. Ma questo primato comporta anche che con una domanda sempre crescente possano cominciare non a calare ma a crescere di costo. In questo caso le batterie agli ioni di sodio potranno svolgere un buon ruolo. Certamente per l‘energy storage, ma anche per alcuni veicoli elettrici dedicati ad applicazioni specifiche come quelli che oggi utilizzano le celle LFP, ad esempio. Anche queste usano litio e potrà presentarsi una fase in cui questo salirà di prezzo: allora le celle agli ioni di sodio potranno rimpiazzare le litio-ione là dove le prestazioni delle litio ione non siano veramente indispensabili. Quanto alla ricerca sugli ioni di sodio c’è veramente ancora tanto da fare e il glima è solo uno di molti spunti. La classe dei glyme diventa molto importante quando si parla di elettrodi metallici: sia per il litio metallo che per il sodio metallo quello è il migliore dei solventi disponibili”.

Il centro ricerche sulle batterie è il fiore all’occhiello dell’Helmholtz Institute di Ulm, fondato nel 2011 dal KIT (Karlsruhe Institute of Technology), a questo istituto collaborano l’università di Ulm, ZSW (il Centro per l’energia solare e la ricerca sull’idrogeno del Baden-Württemberg), e DLR (il centro aerospaziale tedesco). Credito foto: Helmholtz Institute Ulm
Credito foto di apertura: Helmholtz Institute Ulm