Nel 1992, Sony ha lanciato una rivoluzione nel campo dell’elettronica portatile. Sfruttando decenni di ricerche di laboratorio sulle batterie agli ioni di litio, l’azienda giapponese è stata in grado di introdurre prodotti come telefoni cellulari e videocamere portatili che hanno cambiato la vita di miliardi di consumatori.
Le batterie ora sostengono il prodigioso compito di rivedere il sistema energetico e di trasporto globale per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Mentre il costo per produrre le batterie agli ioni di litio è crollato, consentendo alle vendite di auto elettriche di decollare negli ultimi anni, l’ossatura della tecnologia è rimasta poco cambiata dalla commercializzazione.
Dopo tre decenni di ottimizzazione incrementale, tuttavia, quell’ortodossia potrebbe presto essere ribaltata. Toyota, la più grande casa automobilistica del mondo, ha indicato nelle ultime settimane di essere vicina a una svolta nella produzione di una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria: le batterie allo stato solido. L’hype è cresciuto a partire da una serie di annunci sulla tecnologia di prossima generazione da parte della casa automobilistica giapponese nel mese di giugno. Da allora la sua capitalizzazione di mercato è aumentata di 26 miliardi di dollari.
In caso di successo, Toyota potrebbe iniziare a vendere veicoli elettrici più sicuri, in grado di ricaricarsi più rapidamente e di percorrere 1.200 chilometri con una singola carica – circa il doppio della media attuale dell’azienda – già nel 2027.
“È in corso in tutto il mondo una corsa per avere successo nel settore delle batterie allo stato solido”, afferma Peter Bruce, cofondatore e capo scienziato del Faraday Institution, un istituto britannico di ricerca sulle batterie. “Se Toyota o chiunque altro riuscisse a fabbricare batterie allo stato solido che siano competitive in termini di costi e garantiscano la durata necessaria, allora potrebbero garantire un aumento della densità di energia e una ricarica in 10 minuti. Se raggiungessero questi parametri, sarebbe dirompente”.
Se la tecnologia verrà introdotta con successo, l’impatto potrebbe essere drammatico. Scosserebbe l’industria automobilistica dove le vendite di veicoli elettrici e batterie sono attualmente dominate da Tesla e dalle cinesi BYD e CATL; avrebbe implicazioni geopolitiche data l’ansia occidentale riguardo all’attuale dominio della Cina nel settore delle batterie e delle relative materie prime; e potrebbe aprire l’applicazione delle batterie a nuovi settori dei trasporti come l’aviazione.
Alcuni osservatori ritengono che il passaggio potrebbe essere altrettanto epocale quanto quello dai telefoni fissi e con filo ai telefoni cellulari.
Ma la tecnologia delle batterie allo stato solido non è esente da scettici. I critici si chiedono se siano state affrontate le questioni scientifiche di base; altri si chiedono se sarà mai possibile realizzare una produzione di massa ad alta velocità o se esisterà mai un mercato considerevole.
“L’entusiasmo attorno alle batterie a stato solido implica che l’insieme di soluzioni esistente non è abbastanza buono. Evidentemente non è vero. Le vendite crescono del 20-30% l’anno e quasi tutti quelli che li provano dicono che non torneranno mai più indietro”, afferma Alex Brooks, analista di Canaccord Genuity. “In questo momento è un progetto di ricerca pubblicizzato.”
L’ultima affermazione di Toyota di una svolta decisiva ha riacceso la questione su quanto presto le batterie allo stato solido daranno un contributo importante alla decarbonizzazione del sistema di trasporto globale. Venkat Srinivasan, direttore dell’Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, un laboratorio finanziato dal governo statunitense, le definisce il “Santo Graal” dell’industria delle batterie a lungo termine.
“Ma queste interessanti innovazioni su scala di laboratorio hanno ancora un grande ponte da attraversare prima di essere producibili, o qualcosa che può presto essere prodotto su larga scala?” lui chiede. “Sto ancora lottando con questo.”
Una base solida
Tutte le batterie funzionano allo stesso modo: un flusso di atomi caricati elettricamente noti come ioni scorre attraverso un materiale chimico chiamato elettrolita dall’anodo al catodo, i due elettrodi della cella, generando una corrente nel processo.
Le batterie a stato solido differiscono dalle attuali celle agli ioni di litio in quanto l’elettrolita è solido anziché liquido. Diversi materiali, tra cui polimeri, ossidi e solfuri, vengono testati come potenziali elettroliti. Le auto che utilizzano batterie allo stato solido sarebbero molto più sicure, poiché gli elettroliti liquidi possono essere maggiormente a rischio di incendi.
La sola sostituzione dell’elettrolito non comporterebbe necessariamente un miglioramento significativo delle prestazioni della batteria. La vera eccitazione dipende da uno sviluppo tecnologico che consentirebbe: gli anodi metallici di litio. Sostituire la grafite utilizzata negli attuali anodi contribuirebbe a raddoppiare l’autonomia della batteria, in parte perché sarebbe più leggera.
Le batterie allo stato solido hanno dovuto affrontare sfide tecnologiche di base di lunga data. Uno è la difficoltà di mantenere le prestazioni della batteria ed evitare guasti poiché ripetute cariche e scariche causano la formazione di dendriti, ammassi di litio, che possono portare alla rottura. Un’altra sfida è consentire un contatto stabile tra materiali solidi.
La prima “svolta decisiva”, rivendicata dalla Toyota a giugno, riguardava la risoluzione dei problemi tecnici di durabilità, anche se i dettagli erano scarsi sul tipo di materiali che hanno portato alla svolta. La settimana scorsa, ha annunciato una partnership con il gruppo petrolchimico Idemitsu Kosan per sviluppare e produrre congiuntamente un elettrolita solforato, che secondo lei sarebbe stato fondamentale per la commercializzazione entro cinque anni.
“Siamo fiduciosi che gli elettroliti solidi a base di solfuro siano la soluzione più promettente per i problemi delle batterie dei veicoli elettrici, come l’autonomia di crociera e i tempi di ricarica”, ha affermato l’amministratore delegato di Idemitsu, Shunichi Kito, in una conferenza stampa congiunta con Toyota.
Gli scienziati concordano sempre più sul fatto che le sfide tecnologiche di base non appaiono più insormontabili. Ciò rende la prossima sfida destinata alla produzione di massa. Il processo di assemblaggio rappresenta uno dei maggiori ostacoli poiché gli strati di celle catodo-anodo devono essere impilati rapidamente e con elevata precisione, senza danneggiare i materiali.
Anche in questo ambito gli ingegneri della Toyota hanno rivendicato dei progressi. Il gruppo è ora sempre più fiducioso di poter impilare le celle alla stessa velocità delle attuali batterie agli ioni di litio.
Tuttavia altri ostacoli tecnici devono essere superati per raggiungere la produzione di massa su vasta scala. “Abbiamo ancora bisogno di una svolta in termini di garanzia del volume e della qualità dei materiali delle batterie”, ha detto uno dei suoi ingegneri durante una visita allo stabilimento il mese scorso.
Impatto globale
L’introduzione delle batterie allo stato solido potrebbe avere un profondo impatto sul futuro dell’industria automobilistica globale.
Al momento, la Cina ha il potenziale per dominare la fase successiva del settore grazie alla sua leadership sia nella tecnologia che nella produzione delle batterie: secondo l’Agenzia internazionale per l’energia, l’anno scorso ha prodotto oltre il 75% delle batterie a livello globale.
CATL è di gran lunga il più grande produttore di batterie al mondo, con una quota di mercato del 37%. L’azienda con sede a Ningde è il produttore di batterie più redditizio e ha un formidabile vantaggio in termini di costi, in parte grazie alle sue dimensioni e agli investimenti in ricerca e sviluppo.
Lo stato solido potrebbe essere l’unico modo per scavalcare Pechino nella corsa alla batteria. Toyota non è l’unica azienda a investire in questa tecnologia. Nissan e Honda hanno i propri programmi. I tre principali produttori di batterie della Corea del Sud – LG Energy Solution, Samsung SDI e SK On – hanno tutti dichiarato la loro intenzione di sviluppare tali celle entro la fine degli anni ’20. Le start-up statunitensi QuantumScape e Solid Power, partner rispettivamente di Volkswagen e BMW, hanno date target di commercializzazione simili per le proprie tecnologie.
Akitoshi Hayashi, professore alla Osaka Metropolitan University, afferma che sarà “estremamente impegnativo” produrre in serie batterie allo stato solido con la stessa qualità delle attuali batterie agli ioni di litio, ma, se realizzata, la tecnologia sarà “imbattibile a livello globale”.
“Le batterie allo stato solido saranno fondamentali per il rilancio delle case automobilistiche giapponesi, che sono indietro nella strategia dei veicoli elettrici, e per il Giappone, che ha perso quote di mercato mondiale nelle batterie agli ioni di litio”, aggiunge.
La Cina controlla anche la lavorazione delle materie prime per le batterie. Le batterie a stato solido potrebbero ridurre alcune vulnerabilità come l’attuale dipendenza dalla grafite, su cui Pechino ha imposto restrizioni all’esportazione la scorsa settimana. Ma farebbero ben poco per alleviare la prevista carenza di litio poiché consumerebbero anche più delle batterie attuali.
I leader del settore in Cina e Corea sono meno ottimisti riguardo al fatto che le batterie allo stato solido mantengano le loro promesse. Secondo una persona vicina al CATL, i ricercatori del gruppo cinese lavorano da dieci anni per crackare le batterie a stato solido. Devono ancora trovare un sistema economicamente vantaggioso per la produzione di massa e, all’interno di CATL, c’è scetticismo sul fatto che Toyota sia riuscita a raggiungere questo obiettivo.
I leader del settore coreano sono d’accordo. “Sviluppare un prodotto e commercializzarlo sono due questioni diverse”, afferma un dirigente. “Toyota ha parlato di produzione di massa di batterie allo stato solido per [more than] 10 anni, ma continuano a ritardare i tempi”.
Ostacoli alla produzione
Anche se le sfide legate alla tecnologia e allo scale-up possono essere superate, resta un’enorme incognita se le batterie allo stato solido possano ridurre i costi di produzione in tempo per accelerare la diffusione globale dei veicoli elettrici.
Le economie di scala contribuiranno a ridurre i costi. Ma anche le prestazioni e i costi delle attuali batterie agli ioni di litio stanno migliorando costantemente, poiché altre tecnologie come gli anodi di silicio fanno progressi. L’estrema sensibilità delle batterie allo stato solido all’umidità e all’ossigeno potrebbe mantenere elevati i costi di produzione, mentre la loro complessità potrebbe richiedere costose riprogettazioni dei veicoli elettrici.
Se i costi non si abbassassero abbastanza, le batterie allo stato solido potrebbero finire per essere limitate alle auto di lusso o ai trasporti su strada. Kim Dong-myung, capo della divisione batterie automobilistiche avanzate della coreana LGES, afferma che produrle è “troppo costoso” e che ci saranno “applicazioni molto limitate”. Anche se tutto andasse come previsto, le batterie allo stato solido potrebbero rappresentare solo circa il 10% del mercato complessivo dei veicoli elettrici entro il 2035, stima Lee Kyung Sub, responsabile del settore materiali per batterie presso il conglomerato coreano Posco.
Lo stesso amministratore delegato di Toyota, Koji Sato, è stato riluttante a definire le batterie allo stato solido “un punto di svolta” per vincere la corsa globale ai veicoli elettrici. Sato ha indicato che le batterie allo stato solido saranno inizialmente implementate in piccoli volumi nei modelli di fascia alta, mentre le batterie agli ioni di litio continueranno ad essere utilizzate per le auto più economiche.
“La tecnologia delle batterie allo stato solido sarà un fattore estremamente importante in termini di rafforzamento della nostra forza complessiva nei vari prodotti di batterie che abbiamo”, ha affermato Sato la settimana scorsa. “Ma le batterie da sole non determineranno il valore del nostro veicolo.”
Molti dirigenti del settore concordano sul fatto che le tecnologie costituenti lo stato solido verranno gradualmente integrate nelle batterie di oggi. Sembra che CATL abbia intenzione di fare esattamente questo, presentando ad aprile una nuova batteria “condensata”, o “a stato semi-solido”, con il doppio della densità di energia rispetto ai modelli attuali.
“Una batteria completamente allo stato solido è l’ideale per raggiungere il nostro obiettivo”, afferma Glen Merfeld, direttore tecnologico di Albemarle, il più grande produttore mondiale di litio. “Le batterie agli ioni di litio di oggi finiranno per evolversi per assomigliare a quelle.”
Nonostante tutti gli ostacoli tecnici che rimangono, alcuni osservatori ritengono che il potenziale impatto potrebbe essere profondo. Una batteria con prestazioni sostanzialmente migliorate potrebbe aprire la strada a una riprogettazione di molti aspetti della mobilità globale, che vanno dai robotaxi all’aviazione regionale e a nuovi tipi di droni.
“Lo stato solido deve compiere una missione. Il compito delle batterie nuove non è mai quello di sostituire le batterie vecchie. Serve per sbloccare cose che prima non potevamo fare”, afferma Shirley Meng, professoressa di batterie all’Università di Chicago. “Sfruttando la nuova autonomia e i tempi di ricarica, le case automobilistiche giapponesi stanno reimmaginando il futuro dei trasporti”.