Sostenibilità ambientale nel settore automobilistico: l’elettrificazione e un’analisi delle batterie agli ioni di litio

LCO LMO LFP NCA NMC

Catodo Litio- Litio-Ossido Litio-Ferro- Litio-Nichel- Litio-Nichel-

Ossido di di Fosfato Cobalto- Manganese-

cobalto manganese Ossido di Ossido di

alluminio Cobalto

Anodo Grafite Grafite Grafite Grafite Grafite

Vantaggi Alta densità Basso Basso Buon ciclo Alta stabilità

energetica costo e alta costo, alti di vita, alta termica e

stabilità livelli di densità può

termica potenza energetica funzionare

specifica e e alti livelli anche ad

alto ciclo di di potenza alte tensioni

vita specifica

Svantaggi Bassa Bassa Bassa Scarsa Costo e

durata e densità densità stabilità possibili

non stabile energetica energetica termica fughe

agli sbalzi termiche

termici

Applicazioni Dispositivi Utensili Veicoli Veicoli Veicoli

elettronici elettrici elettrici e elettrici e elettrici,

storage dispositivi storage e

industriali dispositivi

industriali

Densità 150-190 100-140 80-140 200-250 140-200

energetica

(Wh/kg)

Ciclo di vita 500-1000 1000-1500 <2000 1000-1500 1000-2000

(Cicli) Schema riassuntivo delle principali LIB

Durante i processi di carica e scarica della batteria, illustrati in figura 9, gli ioni

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si spostano in modo reversibile da un elettrodo all’altro. Quando la batteria e

completamente scarica, tutto il litio contenuto si accumula nel catodo, tranne una

piccola quantita intrappolata nell’elettrolita. Durante la carica, lo ione litio viene

estratto dall’ossido metallico che costituisce il catodo e trasferito all’anodo, mentre

gli elettroni scorrono verso l’anodo attraverso il circuito esterno, causando

l’ossidazione del metallo catodico. All’anodo, in fase di carica, lo ione litio viene

assorbito nella grafite in un processo denominato intercalazione e acquisisce un

elettrone, riducendosi a litio. Durante la scarica, il litio si ossida, liberando gli

elettroni verso l’esterno mentre gli ioni litio si muovono attraverso l’elettrolita

verso il catodo, che subisce una riduzione. Questo movimento degli ioni litio tra gli

elettrodi e responsabile della generazione del flusso di corrente elettrica.

Figura 9: Schema del funzionamento LIB

4.3 Il mercato delle LIBs

L’adozione delle batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici segue una

traiettoria di crescita parallela a quella dei veicoli stessi. Come evidenziato dalla

figura estratta dall’articolo redatto da (Khan et al. 2023), si prevede un aumento

esponenziale della capacita totale richiesta fino al 2040. In particolare, si osserva

un incremento del 500% dal 2020 al 2025 e del 300% dal 2025 al 2030, con una

successiva stabilizzazione dopo il 2040. Questa previsione tiene conto della

diffusione sempre maggiore dei veicoli elettrici via via che ci si avvicina all’anno in

cui e stato fissato l’obiettivo della completa decarbonizzazione, il che comportera

una domanda meno sensibile di batterie oltre il 2040.

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Figura 10: Richiesta globale di LIB per veicoli elettrici

Secondo un report pubblicato da Exactitude Consultancy, il mercato globale

delle batterie agli ioni di litio sta crescendo ad un CAGR dell’11.5% dal 2020 al

2029, raggiungendo un valore di oltre 101 miliardi di dollari rispetto ai 38 miliardi

del 2020. Questo aumento dell’importanza del mercato ha incentivato le case

automobilistiche a pianificare strategie per il controllo della produzione mondiale

di batterie. Ad esempio, Tesla ha scelto di investire direttamente e attraverso una

partnership con Panasonic produce buona parte delle batterie montate sulle

proprie automobili. La societa cinese BYD ha optato per un’integrazione verticale,

producendo autonomamente le batterie per mantenere prezzi competitivi. Al

contrario, molte altre case automobilistiche acquistano batterie gia confezionate o

si limitano ad assemblare le celle. In generale, comunque, la tendenza e quella di

ricercare cooperazioni strategiche lungo la catena del valore al fine di aumentare la

sicurezza dell’approvvigionamento.

Le principali societa produttrici di batterie sono asiatiche, essendo favorite

dalla disponibilita delle materie prime nella regione. Nel 2023, le prime posizioni

del mercato sono state occupate dalla cinese CATL (con una quota di mercato del

35%), BYD (16,2%) e la coreana LG Energy Solution (14,5%), seguite da Panasonic

(9%) (InsideEVs 2023).

4.4 Il costo di produzione di una LIB

Il costo di produzione delle batterie, come discusso nella sezione 3.2.2,

rappresenta una considerevole barriera all’adozione su larga scala delle automobili

elettriche, poiche influisce significativamente sul prezzo di vendita. Circa il 45% del

costo totale di un’auto elettrica e attribuibile al pacco batteria; quindi, diventa

cruciale per i produttori concentrarsi sull’ottimizzazione della produzione e sullo

sviluppo di soluzioni che permettano di ridurre i costi.

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L’analisi dettagliata sull’andamento del prezzo medio delle batterie agli ioni di

litio, riportata nel rapporto di (BloombergNEF 2022), evidenzia un significativo

trend di riduzione dei costi nel periodo compreso tra il 2010 e il 2023. Il grafico in

figura 11 mostra che il costo medio di produzione per kilowattora e sceso da 1391

a 139 dollari, registrando una diminuzione del 90%, con il minimo storico fissato a

126 $/kWh da un battery pack di produzione cinese.

Figura 11: Andamento del costo medio di produzione di una LIB

Questo cospicuo calo ha certamente fornito una solida base per il futuro

successo dei veicoli elettrici. Le ragioni di tale fenomeno possono essere ricondotte

a due principali fattori. In primo luogo, dopo un aumento dei costi nel 2022,

causato da squilibri tra domanda e offerta di litio, nel 2023 si e verificata una

significativa riduzione dei prezzi delle materie prime e dei componenti necessari

per la produzione delle batterie. In aggiunta a cio , la capacita produttiva globale ha

continuato a crescere costantemente, rispondendo alla crescente domanda del

mercato delle vetture elettriche.

Il dato riportato in figura 12 evidenzia che nel 2023 la capacita produttiva si e

attestata intorno a 2.217 GWh/anno, piu che raddoppiando rispetto ai due anni

precedenti. Le previsioni di Bloomberg per il 2025 sono altrettanto positive, con

una proiezione di triplicazione della capacita globale rispetto al 2023, trainata

principalmente da aumenti significativi in Europa e negli Stati Uniti, mentre la Cina

mantiene salda la predominanza nel settore (70%).

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Figura 12: Capacità produttiva mondiale e dove è localizzata

4.5 Evoluzione delle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio, come tutte le tecnologie, sono soggette a un

continuo processo di ricerca e sviluppo. Il progresso verso i futuri modelli si

orienta verso l'adozione di nuovi materiali e design innovativi al fine di migliorare

le prestazioni, concentrandosi sull'aumento dell'energia e della potenza specifica.

Questo impegno si focalizza sulla sostituzione di due elementi principali delle LIB:

l’anodo di grafite e il catodo contenente cobalto, in favore dell’utilizzo di nichel. La

grafite presenta limitazioni in termini di densita energetica e capacita

, e si ritiene

che non possa essere piu idonea alle batterie del futuro, destinate a crescere in

dimensioni e prestazioni. Per quanto riguarda il cobalto, nonostante le sue

caratteristiche rimangano valide, la sua eliminazione dalle celle e principalmente

motivata dal costo. Oltre ai materiali per gli elettrodi, si stanno esplorando

soluzioni innovative anche per gli elettroliti al fine di garantire una maggiore

longevita della batteria (Shahzad and Iqbal Cheema 2024).

La prima tecnologia da analizzare e quella delle batterie allo stato solido

(SSLB). Introdotte per la prima volta negli anni ‘80, queste celle utilizzano

elettroliti solidi, sia inorganici che polimerici, anziche gli elettroliti liquidi

convenzionali. Una caratteristica da sottolineare di queste batterie e che un

elettrolita solido denso svolge simultaneamente la funzione di conduttore ionico e

isolante elettrico, sostituendo il separatore. Queste celle offrono una maggiore

velocita di ricarica e densita energetica (+70% rispetto alle LIB), grazie al peso

inferiore dell’elettrolita solido rispetto al liquido, rendendolo piu efficiente in

termini di spazio. Inoltre, la maggior parte degli elettroliti inorganici e

particolarmente stabile ad alte temperature, contribuendo a una maggiore

sicurezza da surriscaldamento (Ralls et al. 2023). Tuttavia, nonostante l’interesse

crescente per questa tecnologia, ci sono ancora sfide da affrontare per permettere

il suo utilizzo sui veicoli elettrici. Gli elettroliti solidi inorganici sono instabili

termodinamicamente e gli elettroliti polimerici presentano una conducibilita

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ionica troppo bassa alle temperature operative dei veicoli elettrici.

Negli ultimi dieci anni, una delle tecnologie che ha mostrato avanzamenti piu

significativi nel campo delle batterie agli ioni di litio e stata quella del sistema al

litio metallico (Masias, Marcicki, and Paxton 2021). Questo sistema implica la

sostituzione dell'anodo di grafite con uno strato sottile di litio metallico all’interno

delle batterie. Grazie alla capacita teorica superiore rispetto alla grafite, il litio

metallico consente a queste batterie di immagazzinare il doppio della potenza

rispetto alle batterie al litio tradizionali. Inoltre, le batterie al litio-metallo

presentano un’efficienza coulombica elevata, superiore al 99,1%, e offrono una

7

notevole longevita con oltre 6000