L'evoluzione delle batterie per veicoli elettrici: dal piombo-acido agli ioni di litio

Introduzione

Lo sviluppo dei veicoli elettrici (EV) ha subito una notevole trasformazione nel corso degli anni e al centro di questa evoluzione si trova la tecnologia delle batterie che alimentano questi veicoli. Questo articolo compie un viaggio nel tempo per esplorare l'evoluzione delle batterie per veicoli elettrici, dagli albori delle batterie al piombo fino all'era moderna dominata dalla tecnologia agli ioni di litio.

Batterie al piombo: I pionieri

Alla fine del XIX secolo, le batterie al piombo-acido sono state le prime batterie ampiamente utilizzate per i veicoli elettrici. Queste batterie utilizzavano una reazione chimica tra il biossido di piombo (piastra positiva), il piombo spugnoso (piastra negativa) e un elettrolita di acido solforico per generare energia elettrica. All'inizio hanno svolto un ruolo cruciale in una serie di applicazioni.

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Figura 1. Struttura tipica delle batterie al piombo-acido

Tuttavia, questi primi veicoli elettrici hanno dovuto affrontare limitazioni significative a causa della tecnologia dell'epoca. La densità energetica e l'autonomia limitate ne ostacolavano la praticità per i lunghi viaggi o per gli spostamenti interurbani. Inoltre, le infrastrutture di ricarica all'epoca erano praticamente inesistenti e la ricarica richiedeva molto tempo. Questa mancanza di comodità limitava ulteriormente la praticità dei veicoli elettrici.

Nonostante le sfide, le batterie al piombo-acido sono ancora in uso oggi. Si trovano comunemente in varie applicazioni, tra cui le batterie di avviamento per autoveicoli, i gruppi di continuità (UPS) e i sistemi di energia rinnovabile off-grid.

Batterie al nichel-metallo idruro: Un passo avanti

All'inizio del ^XX secolo, Thomas Edison sviluppò la batteria al nichel-ferro. Questa batteria ricaricabile si basa su una reazione elettrochimica tra un elettrodo positivo di ossido di nichel idrossido (NiOOH), un elettrodo negativo di idruro metallico (MH) e un elettrolita alcalino. Sebbene le batterie all'idruro di nichel-metallo, o batterie NiMH, offrano una maggiore densità di energia e un'autonomia di guida più lunga, non sono diventate uno standard per i veicoli elettrici.

Batterie agli ioni di litio: Il cambiamento di gioco

Il 21° secolo ha visto un notevole cambiamento nella tecnologia delle batterie per veicoli elettrici con l'adozione diffusa delle batterie agli ioni di litio. Queste batterie sono caratterizzate da una maggiore densità energetica, da un'autonomia più lunga e da una ricarica più rapida, che le rendono lo standard per i moderni veicoli elettrici. Durante la carica, gli ioni di litio (Li+) si spostano dal catodo all'anodo attraverso l'elettrolita, immagazzinando energia. Nella fase di scarica, questi ioni Li+ ritornano al catodo, generando una corrente elettrica.

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Figura 2. Struttura delle batterie agli ioni di litio

Ciò che distingue le batterie agli ioni di litio sono le loro eccezionali caratteristiche e diversità. Vantano un'elevata densità energetica, sostenibilità e un basso tasso di autoscarica, conservando la carica nel tempo. Il catodo delle batterie agli ioni di litio è disponibile in vari materiali, come l'ossido di cobalto di litio (LiCoO2) per l'elettronica di consumo, il fosfato di ferro di litio (LiFePO4) per i veicoli elettrici e l'ossido di manganese di nichel cobalto di litio (NCM) o l'ossido di alluminio di nichel cobalto di litio (NCA) per un equilibrio tra energia e densità di potenza.

Questa versatilità consente alle batterie agli ioni di litio di alimentare diverse applicazioni, dai gadget di consumo ai veicoli elettrici, e stimola le innovazioni in corso, tra cui le batterie allo stato solido e gli sforzi di riduzione del cobalto, per espandere ulteriormente le loro capacità e la loro sostenibilità.

Il futuro delle batterie per veicoli elettrici:

L'evoluzione delle batterie per veicoli elettrici è tutt'altro che conclusa e il futuro riserva prospettive entusiasmanti.

lBatterie allo stato solido: Lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio allo stato solido rappresenta un salto significativo nella tecnologia delle batterie. Queste batterie promettono una maggiore densità di energia, una maggiore sicurezza e una durata di vita più lunga rispetto alle tradizionali batterie a elettrolita liquido.

lCobalto ridotto: Poiché le preoccupazioni ambientali ed etiche legate all'estrazione del cobalto persistono, sono in corso sforzi per ridurre o eliminare il cobalto nelle batterie agli ioni di litio. Questi sforzi mirano a creare batterie chimiche più sostenibili e responsabili, riducendo al minimo l'impatto ambientale e sociale associato all'estrazione del cobalto.

lRicarica rapida: I rapidi progressi della tecnologia di ricarica rapida stanno rivoluzionando i veicoli elettrici, rendendo la ricarica conveniente come il rifornimento dei veicoli tradizionali. L'infrastruttura di ricarica rapida continua ad espandersi, riducendo significativamente i tempi di ricarica e affrontando una delle principali barriere all'adozione dei veicoli elettrici.

Conclusioni

In sintesi, l'evoluzione delle batterie per veicoli elettrici è stata caratterizzata da progressi significativi, con la tecnologia agli ioni di litio che attualmente domina il mercato. Con il continuo progresso tecnologico, il futuro delle batterie per veicoli elettrici promette una densità energetica ancora maggiore, una ricarica più veloce e una maggiore sostenibilità.

Stanford Advanced Materials (SAM) è un fornitore leader della famiglia di batterie agli ioni di litio. Se siete interessati, inviateci una richiesta.

Riferimenti:

[1] Manhart, Andreas & Magalini, Federico & Hinchliffe, Daniel. (2018). Gestione del fine vita delle batterie nel settore solare off-grid Come gestire i rifiuti pericolosi delle batterie provenienti da progetti di energia solare nei Paesi in via di sviluppo? Pubblicazione commissionata da: GIZ Sector Project Concepts for Sustainable Solid Waste Management and Circular Economy; sviluppata in collaborazione con Energising Development (EnDev).

[2] Madian, M.; Eychmüller, A.; Giebeler, L. Current Advances in _TiO2-Based Nanostructure Electrodes for High Performance Lithium Ion Batteries 2018, 4, 7. https://doi.org/10.3390/batteries4010007