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Batterie a ioni di litio: il futuro senza cobalto

Un recente studio dimostra che possibile costruire batterie al litio senza usare il cobalto, ma non tutto oro quel che luccica
Batterie a ioni di litio: il futuro senza cobalto FASTWEB S.p.A.

Un tempo era l'incubo dei minatori in cerca di argento, oggi vale più dell'oro per l'industria tecnologica globale: è il cobalto e, insieme al nichel, è presente in quasi tutte le batterie a ioni di litio, costruite con quasi tutte le tecnologie attualmente disponibili. Se il cobalto ha questo nome è probabilmente dovuto al termine tedesco "kobolt", cioè folletto cattivo, perché per secoli i folletti sono stati accusati di prendere in giro i minatori: il cobalto assomiglia visivamente all'argento, ma non lo è.

A lungo il cobalto è stato considerato praticamente inutile, mentre oggi lo troviamo un po' ovunque: dalle turbine degli aerei, ai magneti, ai catalizzatori e, soprattutto, agli elettrodi delle batterie a ioni di litio. Nel nostro smartphone c'è cobalto, nel nostro laptop c'è cobalto, nelle auto elettriche c'è un sacco di cobalto. Ma il cobalto è un problema: oggi viene estratto soprattutto nella Repubblica Democratica del Congo, con costi ambientali e sociali altissimi.

Siccome l'industria dell'auto elettrica è in fortissima ascesa e la tecnologia al momento dominante è quella dell'elettrico a batteria (l'elettrico a idrogeno non è ancora pronto per il mercato), è chiaro che chi riuscirà a costruire in gran quantità e a costi bassi batterie a ioni di litio senza cobalto avrà trovato la quadratura del cerchio. Un team di ricerca del Texas afferma di esserci riuscito.

Batterie a ioni di litio: a che serve il cobalto

Oggi sul mercato esistono diversi tipi di batterie a ioni di litio, che si differenziano tra loro soprattutto per gli elementi chimici usati per produrre il catodo, cioè l'elettrodo negativo. Le tre chimiche più diffuse sono la NMC, la NCA e la LFP. Che vogliono dire, rispettivamente, Nichel-Manganese-Cobalto, Nichel-Cobalto-Alluminio e Litio-Ferro-Fosfato. Due tecnologie su tre, quindi, fanno uso massiccio di cobalto e di nichel (elemento chimico che spesso si estrae insieme al cobalto) ma le prime due hanno caratteristiche più adatte all'impiego sulle auto elettriche ad alte prestazioni. Per l'industria automotive, quindi, è importantissimo creare batterie senza cobalto e nichel o, in alternativa, sviluppare molto di più la tecnologia LFP.

 

Batterie senza cobalto: gli studi scientifici

batteria senza cobalto

Decine di università e centri ricerca di tutto il mondo stanno lavorando al primo obiettivo: ridurre (o eliminare del tutto) il cobalto dalle batterie ricaricabili a ioni di litio. Anche in questo caso il primo che arriva vince, tanto è vero che a inizio luglio 2020 un team di ricercatori dell'Università del Texas ha pubblicato su Advanced Materials un paper intitolato "High Nickel NMA: A Cobalt Free Alternative to NMC and NCA Cathodes for Lithium Ion Batteries" e uno degli scienziati, Arumugam Manthiram, ha dichiarato trionfalmente: "Siamo stati i primi a dimostrare che è possibile eliminare il cobalto senza compromettere le performance della batteria".

Questo risultato è stato possibile mischiando, su scala nanometrica, le componenti chimiche da usare per il catodo. I ricercatori hanno pompato una soluzione contenente nichel, manganese e alluminio in un reattore ottenendo una polvere finissima di idrossidi metallici, che poi sono stati cotti insieme all'ossido di litio per avere il materiale finale da depositare sul polo. Non è stato facile, perché sia la velocità del pompaggio sia la temperatura devono essere strettamente controllate per ottenere le giuste reazioni chimiche.

Manthiram afferma che le batterie che saranno costruite con la tecnologia sviluppata dalla sua università avranno la stessa capacità di accumulare energia di quelle attuali e che saranno pronte entro pochi anni. Dove sta il problema? Nel fatto che per ridurre il cobalto dal catodo di queste batterie è stata aumentata fino all'89% la quantità di nichel. Ma l'impatto ambientale (in termini di inquinamento) e climatico (in termini di emissioni di CO2) dell'estrazione del nichel è elevatissimo e, di conseguenza, usare queste batterie sulle auto elettriche per ridurre le emissioni di CO2 dei trasporti potrebbe non rivelarsi un grande affare per l'ambiente.

Batterie senza cobalto: a che punto è l'industria

batteria tesla

Se ci vorranno ancora anni prima di vedere sul mercato le batterie al Nichel-Manganese-Alluminio dell'Università del Texas, forse ci vorrà molto meno per vedere altri accumulatori "cobalt-free": la cinese CATL, il più grande produttore al mondo di batterie per auto elettriche (che ha tra i suoi clienti tutti i big mondiali dell'auto, comprese Tesla, BMW, Daimler-Mercedes, General Motors, Honda), a metà agosto 2020 ha infatti affermato che sta sviluppando una nuova batteria senza nichel e senza cobalto. Una batteria, insomma, che risolve entrambi i problemi in un colpo solo. Sarà una batteria diversa dalle già esistenti NCA, NCM ed LFP (chimica attualmente usata da CATL) e non conterrà materiali rari o costosi. Questo è quanto ha affermato, durante un incontro della China Association of Automobile Manufacturers a Shanghai, il dirigente di CATL Meng Xiangfeng.

Un'altra azienda che sembra molto avanti nella corsa alla batteria "cobalt-free" è Tesla: secondo le analisi citate dal giornale tedesco Wirtschaftswoche, infatti, le batterie montate su una Tesla Model 3 (la berlina media del costruttore americano) contengono appena il 2,8% di cobalto (contro il 12-14% di quelle di una Volkswagen ID.3). Il CEO di Tesla Elon Musk, però, a luglio 2020 ha chiesto ufficialmente alle compagnie minerarie di estrarre più nichel, altrimenti ci potrebbero essere problemi alla catena degli approvvigionamenti.

Cosa possiamo aspettarci

batterie ioni di litio

La questione del cobalto e del nichel nelle batterie non interessa solo il mondo dell'auto: i veicoli elettrici saranno presto i maggiori utilizzatori di batterie a ioni di litio nel mondo, ma oggi questo primato spetta ancora ai dispositivi elettronici. E i problemi, tra i due mondi, sono identici: le batterie devono durare molto, essere veloci da ricaricare e sicure senza che la loro produzione devasti l'ambiente o metta a rischio il clima.

Non è possibile, oggi, stabilire con certezza quale tecnologia e quale chimica delle batterie si rivelerà la più efficace per ottenere il risultato, ma è certo che gli investimenti in ricerca sono al momento enormi e diffusi in tutto il mondo. Come è altrettanto certo che ogni studio, ogni tecnologia e ogni chimica delle batterie potrebbe risolvere un problema creandone o aggravandone un altro. Evitare facili entusiasmi e guardare a tutta la catena produttiva delle batterie ricaricabili, quindi, è l'unico modo per trovare una soluzione.

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