Cost, volumetric energy density, and fast-charging projections of Na-ion and Li-ion batteries from a European perspective

I veicoli elettrici che stanno lentamente rimodellando le nostre strade si affidano a un singolo componente critico: la batteria. Per oltre un decennio, il settore è stato dominato dalle batterie agli ioni di litio, che immagazzinano energia in celle composte da metalli specifici come litio, cobalto e nichel. Queste batterie sono potenti ed efficienti, ma dipendono da materiali che sono costosi e talvolta difficili da reperire. Mentre il mondo punta all'elettrificazione di una quota maggiore dei propri trasporti, scienziati e ingegneri hanno iniziato a cercare un piano di riserva. Un'alternativa promettente è la batteria agli ioni di sodio. Invece di utilizzare il raro litio, queste celle utilizzano il sodio, un elemento comune presente nel sale, abbinato ad altri metalli abbondanti come ferro e manganese. L'idea è che, se riuscissimo a costruire batterie da materiali che si trovano ovunque e sono economici, potremmo essere in grado di alimentare le nostre auto spendendo meno denaro. Tuttavia, il solo fatto che un materiale sia economico non significa che il prodotto finale sarà migliore. La vera prova consiste nel capire se queste nuove batterie possano immagazzinare abbastanza energia per far percorrere a un'auto lunghe distanze e caricarsi abbastanza velocemente da adattarsi a una vita frenetica, il tutto costando meno delle versioni al litio che sperano di sostituire.

Un team di ricercatori della Volkswagen e dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe in Germania ha deciso di mettere alla prova questa domanda con un'indagine rigorosa basata sul computer. Non hanno costruito una singola batteria fisica in laboratorio; hanno invece costruito un modello digitale dettagliato dell'intero processo di produzione. Hanno simulato la creazione di quasi 4.500 diversi design di celle per batterie, mescolando e accoppiando vari materiali e metodi di produzione per vedere come si sarebbero comportati nel mondo reale. Il loro obiettivo era trovare l'equilibrio perfetto tra tre fattori contrastanti: quanto costa produrre la batteria, quanta energia può contenere in uno spazio dato e quanto velocemente può essere ricaricata. Si sono concentrati specificamente su due tipi di batterie: lo standard attuale, che utilizza un materiale a base di litio chiamato LFP, e l'emergente sfidante, la batteria agli ioni di sodio, che utilizza un ossido metallico stratificato e un materiale di carbonio duro per il suo lato negativo.

I ricercatori hanno eseguito le loro simulazioni attraverso tre diversi scenari di produzione per capire come la geografia influenzi il risultato. Hanno modellato uno scenario in cui tutto viene prodotto in Cina, uno scenario in cui le materie prime provengono dalla Cina ma l'assemblaggio finale avviene in Europa, e uno scenario in cui l'intera catena di approvvigionamento è costruita all'interno dell'Europa. Questo approccio è stato fondamentale perché il costo dell'energia, del lavoro e delle materie prime varia significativamente tra queste regioni. I risultati hanno delineato un quadro chiaro, seppur piuttosto complicato. Le simulazioni hanno mostrato che le batterie agli ioni di sodio possono effettivamente essere prodotte allo stesso costo delle migliori batterie agli ioni di litio, ma solo se il prezzo del carbonato di litio aumenta significativamente o se le batterie al sodio subiscono ulteriori miglioramenti. Nell'attuale mercato, in cui i prezzi del litio sono scesi, le batterie al sodio non godono di un naturale vantaggio di costo.

Quando i ricercatori hanno esaminato le prestazioni fisiche di queste celle simulate, un compromesso è diventato inevitabile. Per rendere le batterie agli ioni di sodio abbastanza economiche da competere, il design doveva sacrificare spazio e velocità. Le celle al sodio sono state in grado di eguagliare il costo delle loro rivali al litio, ma non potevano impacchettare tanta energia nello stesso volume. Ciò significa che un'auto che utilizza queste batterie sarebbe o più pesante o avrebbe un'autonomia inferiore per lo stesso pacco batteria. Inoltre, i tempi di ricarica erano più lunghi. Il materiale utilizzato per il lato negativo della batteria al sodio, noto come carbonio duro, ha una struttura che rende più difficile il passaggio rapido degli ioni rispetto alla grafite utilizzata nelle batterie al litio. Questo crea un collo di bottiglia durante la ricarica veloce, costringendo la batteria a caricarsi più lentamente per evitare danni. Lo studio ha rilevato che, anche con design avanzati, le batterie al sodio faticavano a raggiungere le velocità di ricarica rapida che i moderni conducenti di veicoli elettrici si aspettano.

La posizione della produzione ha giocato un ruolo massiccio nei numeri finali. L'opzione più economica in ogni simulazione è stata quella di fabbricare l'intera catena di approvvigionamento in Cina e importare le celle finite in Europa. Spostare l'assemblaggio finale delle celle della batteria in Europa, pur continuando a importare le materie prime, aumentava il costo di circa il dieci-quattordici per cento. Se l'Europa cercasse di costruire una catena di approvvigionamento completamente indipendente, reperendo e lavorando tutti i materiali localmente, il costo salirebbe di quasi il venticinque per cento. Questo costo elevato è guidato dai prezzi più alti dell'energia e del lavoro in Europa, nonché dalla mancanza di una rete industriale consolidata per questi specifici materiali. Lo studio suggerisce che, affinché l'Europa possa competere sui costi con le importazioni cinesi, dovrebbe accettare prezzi più alti o trovare un modo per ridurre drasticamente i propri costi di produzione.

I ricercatori hanno anche esaminato da vicino i materiali stessi per scoprire dove venivano spesi i soldi. Hanno scoperto che il carbonio duro utilizzato nelle batterie al sodio è attualmente un importante fattore di costo. Sebbene sia spesso presentato come un'alternativa economica alla grafite, i tipi specifici di carbonio duro utilizzati in queste simulazioni, spesso derivati da gusci di cocco importati dal sud-est asiatico, sono costosi da processare e purificare. Le simulazioni hanno indicato che, a meno che l'Europa o la Cina non riescano a sviluppare una produzione su larga scala e locale di carbonio duro da fonti domestiche più economiche come gli scarti del legno o il bambù, il vantaggio di costo delle batterie al sodio rimarrà elusivo. Inoltre, il lato positivo della batteria al sodio utilizza il nichel, un metallo soggetto alla stessa volatità dei prezzi del litio nelle batterie tradizionali. Ciò significa che la promessa che le batterie al sodio siano immuni dalle fluttuazioni del prezzo delle materie prime non è del tutto vera; esse semplicemente scambiano un metallo costoso con un altro.

Nonostante questi ostacoli, lo studio non esclude il futuro della tecnologia agli ioni di sodio. Le simulazioni hanno mostrato che, se il prezzo del litio dovesse aumentare di nuovo ai livelli visti negli anni precedenti, le batterie al sodio diventerebbero immediatamente l'opzione più economica. Inoltre, i ricercatori hanno identificato che migliorare la densità energetica delle celle al sodio — rendendole capaci di immagazzinare più potenza in meno spazio — le renderebbe molto più competitive, specialmente nelle fabbriche europee dove i costi di produzione sono elevati. Lo studio suggerisce che l'Europa potrebbe potenzialmente ottenere una posizione nel settore sfruttando la sua attuale competenza nella produzione di altri tipi di batterie e adattando quelle linee alla produzione di ioni di sodio. Tuttavia, questo percorso richiede investimenti significativi e la volontà di accettare che la tecnologia non è ancora un sostituto perfetto e immediato dello standard attuale al litio.

In definitiva, il lavoro fornisce una tabella di marcia realistica per il prossimo decennio di sviluppo delle batterie. Conferma che, sebbene le batterie agli ioni di sodio siano una parte vitale e necessaria del futuro mix energetico, non sono una soluzione magica che ridurrà istantaneamente i costi o migliorerà le prestazioni. Sono uno strumento diverso con punti di forza e di debolezza differenti. Affinché la tecnologia abbia successo, i produttori devono risolvere le sfide della produzione di carbonio duro e migliorare la velocità con cui queste celle si caricano. Finché questi problemi di ingegneria non saranno risolti, la batteria agli ioni di litio rimarrà la forza dominante, con quella agli ioni di sodio in attesa, pronta a intervenire se l'economia del mercato cambierà o se la tecnologia maturerà abbastanza da colmare il divario. Lo studio serve come promemoria che nel mondo della tecnologia delle batterie non esistono scorciatoie, solo attenti compromessi tra costo, energia e velocità.