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Innovazioni di mercato: Batterie allo stato solido

Il boom dei veicoli elettrici a batteria (BEV) è il risultato di ideali promossi da governi, normative ed etica aziendale. Finora, non esiste un BEV in grado di soddisfare le esigenze dei consumatori allo stesso modo di un veicolo con motore a combustione interna (ICE) e, sulla base delle roadmap annunciate dalle case automobilistiche, non vi è alcun segno che ne emergerà uno entro il 2030.

Caratteristiche

Non è un compito facile sviluppare un BEV che, come gli attuali veicoli ICE, possa essere rifornito di carburante in tre minuti, abbia un’autonomia di 1.000 km con un pieno di carburante, benefici di infrastrutture sufficienti e possa essere facilmente utilizzato per almeno 10 anni . Tuttavia, l’emergere di batterie interamente a stato solido potrebbe sconvolgere la situazione attuale e accelerare notevolmente l’adozione da parte del mercato dei BEV.

Quando le batterie agli ioni di litio, ampiamente utilizzate negli smartphone e in altri dispositivi elettronici miniaturizzati, vengono utilizzate nelle applicazioni automobilistiche, richiedono requisiti molto più elevati in termini di sicurezza e durata della batteria.

Allo stesso tempo, c’è un compromesso tra miglioramenti nell’autonomia, che richiedono essenzialmente un aumento della densità energetica, e sicurezza/durata. Questo compromesso è il motivo principale per cui le prestazioni delle attuali batterie agli ioni di litio sono viste come una barriera forse insormontabile alla maggiore diffusione sul mercato dei veicoli elettrici.

Le batterie a stato solido hanno il potenziale per superare questi problemi. Le batterie a stato solido hanno una lunga storia. Gli elettroliti solidi sono stati sviluppati negli anni ’70, ma una conduttività ionica insufficiente ne limitava l’applicazione. Tuttavia, recentemente sono stati scoperti elettroliti solidi con conducibilità ionica simile o superiore agli elettroliti liquidi, accelerando gli sforzi di ricerca e sviluppo.

Le immagini di questo articolo sono state generate con midJourney

Le case automobilistiche

Al Motor Show di Tokyo 2017, Toyota ha annunciato un obiettivo per la commercializzazione di BEV interamente a stato solido nella prima metà degli anni ’20. Sebbene la prima generazione di BEV che utilizzerà batterie completamente allo stato solido che dovrebbe essere lanciata da Toyota avrà solo un volume di produzione limitato, l’annuncio della società stimolerà senza dubbio maggiori sforzi da parte di molte aziende, ricercatori e enti governativi nel sviluppo di tutte le batterie a stato solido.

Volkswagen, Hyundai Motor e Nissan Motor hanno tutti annunciato investimenti in società start-up, quindi riteniamo che questo sia un tema che probabilmente trarrà beneficio da un’attenzione molto crescente

Potenziale delle batterie a stato solido

Le attuali batterie agli ioni di litio sono costituite dal catodo, una soluzione elettrolitica, un separatore e un anodo. La differenza in una batteria a stato solido è che l’elettrolito è solido. Infatti, tutti i componenti ei materiali sono solidi, da cui la terminologia “a stato solido”.

Le proprietà delle batterie a stato solido dipendono dai materiali utilizzati, ma la ricerca fino ad oggi rivela un chiaro potenziale in termini di sicurezza, resistenza alle perdite, resistenza alla combustione (struttura di raffreddamento semplificata), miniaturizzazione, flessibilità del design in termini della formazione diretta dello strato per le celle, durata del ciclo di scarica relativamente lunga, assenza di degradazione grazie alle buone proprietà ad alta/bassa temperatura, tempi di carica brevi, alta densità di energia e alta densità di potenza.

In passato, la bassa densità di potenza è stata vista come un punto debole delle batterie a stato solido, ma il Tokyo Institute of Technology e il team di ricerca di Toyota hanno sviluppato insieme una batteria a stato solido con una densità di potenza tre volte superiore e una densità di energia doppia delle batterie agli ioni di litio esistenti. Riteniamo che tutte le batterie a stato solido abbiano il potenziale per superare gli svantaggi dei veicoli elettrici.

Impatto della diffusione sul mercato delle batterie a stato solido

I principali impatti delle batterie a stato solido sull’industria automobilistica includono un’accelerazione nella diffusione del mercato dei BEV e cambiamenti nella catena di fornitura delle batterie BEV. Se i BEV sostituissero i veicoli ICE, non ci sarebbe bisogno di motori, trasmissioni e parti correlate, ma ci sarebbe una nuova necessità di batterie, inverter, motori e parti relative a questi sistemi.

Per gli assemblatori di automobili convenzionali, che producono internamente motori e trasmissioni, assicurarsi di avere la capacità di sviluppare internamente batterie interamente a stato solido è un’importante fonte di valore aggiunto. Per i fornitori, sarà importante riesaminare le tecnologie elementari per sviluppare nuovi componenti.

Se si verifica un aumento dell’adozione da parte del mercato dei BEV, è probabile che vengano modificate anche le norme a livello nazionale che disciplinano cose come le tasse, la politica energetica e le risorse.

Un passaggio dalle batterie agli ioni di litio liquide alle batterie a stato solido significherebbe anche un passaggio dagli elettroliti liquidi agli elettroliti solidi e una diminuzione della necessità di separatori, e ci sarebbe il potenziale per utilizzare nuovi materiali per catodi e anodi.

È probabile che i materiali utilizzati nelle batterie interamente a stato solido che Toyota lancerà nella prima metà del 2020 saranno simili a quelli utilizzati attualmente, e poiché i volumi di produzione saranno ridotti, l’impatto sull’attuale catena di fornitura è anche probabile che sia piccolo. Tuttavia, se vediamo progressi materiali negli sforzi di ricerca e sviluppo, è probabile che le batterie interamente a stato solido disponibili nella seconda metà degli anni 2020 e 2030 saranno dirompenti.

Le immagini di questo articolo sono state generate con midJourney

Ostacoli alla diffusione sul mercato delle batterie a stato solido

Si è parlato di una propensione verso i BEV, ma l’attuale consenso del mercato è che ora siamo in un’era di “diversificazione dei propulsori” piuttosto che del raggiungimento della maggiore età dei BEV in quanto tali. Tuttavia, riteniamo che se gli sforzi per sviluppare la produzione in serie di batterie interamente a stato solido avranno successo, l’era del BEV potrebbe essere vicina.

Anche così, sarebbe necessario superare una serie di problemi. La ricerca e lo sviluppo finalizzati alla produzione in serie di batterie interamente a stato solido sono appena iniziati e fino a che punto i costi di produzione diminuiranno non è ancora chiaro. In teoria, ci dovrebbe essere un notevole potenziale di riduzione dei costi, data la semplificazione dei pacchi batteria e l’uso di materiali per elettrodi a basso costo.

D’altra parte, se ci saranno progressi maggiori del previsto nel miglioramento delle prestazioni delle batterie agli ioni di litio e maggiori riduzioni dei costi, il passaggio alle batterie completamente a stato solido potrebbe essere ritardato.

Futuro

C’è anche il rischio che l’interesse per i BEV stessi possa svanire a causa degli sviluppi nei veicoli elettrici ibridi (HEV) e nei veicoli ICE standard, il dibattito sui problemi dal pozzo alla ruota e la rinnovata popolarità dei veicoli diesel, il che potrebbe significare un indebolimento degli sforzi di sviluppo per tutte le batterie a stato solido.

Dal punto di vista dell’autonomia e del tempo necessario per il rifornimento di idrogeno, i veicoli a celle a combustibile sono un altro potenziale concorrente. Sebbene le questioni infrastrutturali siano un problema, esiste un notevole potenziale in termini di sostituto dei combustibili fossili e trasporto di energia.

Il sondaggio Global Automotive Executive 2018 di KPMG ha classificato i veicoli a celle a combustibile come la principale tendenza chiave fino al 2025 e i BEV al 3° posto secondo i dirigenti automobilistici globali. Nel 2017, lo stesso sondaggio ha ribaltato le questioni, con i BEV al primo posto e i veicoli a celle a combustibile al terzo posto.

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