Perché la Cina può dominare la produzione di batterie agli ioni di litio

Gli ioni di litio sono la batteria ideale?

Per molti anni, la batteria al nichel-cadmio è stata l'unica batteria adatta per apparecchiature portatili, dalle comunicazioni wireless ai computer mobili. Il nichel-metallo idruro e gli ioni di litio sono emersi all'inizio degli anni '90, combattendo corpo a corpo per ottenere l'accettazione dei clienti. Oggi, gli ioni di litio sono la chimica delle batterie in più rapida crescita e più promettente.

Il mondo sta diventando sempre più elettrizzato. Non solo i paesi in via di sviluppo stanno aumentando la disponibilità di elettricità per le loro popolazioni, ma l’elettrificazione delle infrastrutture di trasporto esistenti sta procedendo a un ritmo rapido. Si prevede che entro il 2040 oltre la metà delle auto in circolazione saranno alimentate dall’elettricità.

Una breve storia delle batterie

Le batterie fanno parte della nostra vita quotidiana da molto tempo. La prima vera batteria al mondo fu inventata nel 1800 dal fisico italiano Alessandro Volta. L'invenzione ha rappresentato una svolta notevole, ma da allora sono state apportate solo poche innovazioni significative.

La prima fu la batteria al piombo, inventata nel 1859. Questa fu la prima batteria ricaricabile ed è ancora oggi la batteria più comune utilizzata per avviare i motori a combustione interna.

Negli ultimi due secoli ci sono stati alcuni progetti innovativi di batterie, ma è stato solo nel 1980 che è stato inventato un vero punto di svolta. Fu allora che le scoperte dell’Università di Oxford e dell’Università di Stanford portarono allo sviluppo della batteria agli ioni di litio. Sony ha commercializzato la prima batteria agli ioni di litio nel 1991.

Cosa c'è di così speciale nel litio?

Il litio è un metallo speciale sotto molti aspetti. È leggero e morbido, così morbido che può essere tagliato con un coltello da cucina e così basso di densità che galleggia sull'acqua. È anche solido in un ampio intervallo di temperature, con uno dei punti di fusione più bassi di tutti i metalli e un punto di ebollizione elevato.

Come il suo compagno metallo alcalino, il sodio, il litio reagisce con l'acqua in forma vistosa. La combinazione di Li e H2O forma idrossido di litio e idrogeno, che tipicamente esplodono in fiamme rosse.

Ci sono molti aspetti da considerare Batteria agli ioni di litio sicurezza in tutti i suoi processi di progettazione, compresa la struttura sicura della batteria, le materie prime sicure, le funzioni protettive e le certificazioni di sicurezza. Intervistato da China Electronics News, Su Jinran, vice ingegnere capo, ha affermato che la sicurezza del prodotto inizia nella progettazione del prodotto, pertanto la selezione dei giusti materiali per elettrodi, separatori ed elettroliti è la prima priorità per una progettazione sicura delle batterie. Per quanto riguarda i materiali anodici delle batterie, i materiali ternari, manganese litio e litio ferro fosfato, che sono stati ampiamente utilizzati nella progettazione delle batterie e hanno prodotto prestazioni soddisfacenti, sono più sicuri dei tradizionali litio cobalto e nichel litio.

Le batterie agli ioni di litio sono popolari perché presentano una serie di importanti vantaggi rispetto alle tecnologie concorrenti:

● Generalmente sono molto più leggere di altri tipi di batterie ricaricabili della stessa dimensione. Gli elettrodi di una batteria agli ioni di litio sono realizzati in litio leggero e carbonio. Il litio è anche un elemento altamente reattivo, il che significa che molta energia può essere immagazzinata nei suoi legami atomici. Ciò si traduce in una densità energetica molto elevata per le batterie agli ioni di litio. Ecco un modo per avere una prospettiva sulla densità energetica. Una tipica batteria agli ioni di litio può immagazzinare 150 wattora di elettricità in 1 chilogrammo di batteria. Una batteria NiMH (nichel-metallo idruro) può immagazzinare forse 100 wattora per chilogrammo, anche se da 60 a 70 wattora potrebbero essere più tipici. Una batteria al piombo può immagazzinare solo 25 wattora per chilogrammo. Utilizzando la tecnologia al piombo-acido, sono necessari 6 chilogrammi per immagazzinare la stessa quantità di energia che una batteria agli ioni di litio da 1 chilogrammo può gestire. Questa è un'enorme differenza [fonte: Tutto2.com ].

● Mantengono la loro carica. Una batteria agli ioni di litio perde solo circa il 5% della sua carica al mese, rispetto alla perdita del 20% al mese delle batterie NiMH.

● Non hanno effetto memoria, il che significa che non è necessario scaricarle completamente prima di ricaricarle, come con altre batterie chimiche.

● Le batterie agli ioni di litio possono gestire centinaia di cicli di carica/scarica.

● Ciò non vuol dire che le batterie agli ioni di litio siano impeccabili. Presentano anche alcuni svantaggi:

● Cominciano a degradarsi non appena lasciano la fabbrica. Dureranno solo due o tre anni dalla data di produzione, indipendentemente dal fatto che li utilizzi o meno.

● Sono estremamente sensibili alle alte temperature. Il calore fa sì che le batterie agli ioni di litio si degradino molto più velocemente del normale.

● Se si scarica completamente una batteria agli ioni di litio, si rovinerà.

● Una batteria agli ioni di litio deve avere un computer di bordo per gestire la batteria. Ciò li rende ancora più costosi di quanto lo siano già.

● Esiste una piccola possibilità che, in caso di guasto, una batteria agli ioni di litio prenda fuoco.

Definizione di standard basati sull'innovazione

A causa della complessità del meccanismo di sicurezza delle batterie agli ioni di litio, in particolare dell’impatto sulla sicurezza dopo il riutilizzo delle batterie, il processo di comprensione della sicurezza delle batterie agli ioni di litio e di definizione dei relativi standard dovrebbe essere graduale e progressivo. E andrebbero presi in considerazione anche lo sviluppo e l’applicazione di tecniche di controllo esterno. Su lo ha suggerito come ambientazione Batteria agli ioni di litio standard di sicurezza è un lavoro altamente tecnico, sia i professionisti della definizione degli standard degli organismi di standardizzazione delle batterie che gli specialisti tecnici dell'industria delle batterie, degli utenti e delle aree di controllo elettronico dovrebbero partecipare al processo, compresi i lavori di verifica sperimentale.

L'ingegnere senior del China Electronics Standardization Institute, Sun Chuanhao, ha affermato che attualmente le batterie agli ioni di litio potrebbero essere suddivise in tipi di energia e tipi di alimentazione. Poiché questi due prodotti presentano differenze nei materiali e nelle strutture di progettazione, i loro metodi e requisiti di prova sono diversi, anche nelle stesse condizioni di sicurezza. Al tipo energetico appartengono le cosiddette batterie portatili, che comprendono le batterie agli ioni di litio utilizzate nei telefoni cellulari, nei computer portatili, nelle fotocamere digitali e nelle videocamere, mentre al tipo energetico appartengono le batterie per elettroutensili, biciclette elettriche e veicoli elettrici.

Secondo l’organizzazione di ricerca BloombergNEF, il prezzo medio ponderato per il volume delle batterie agli ioni di litio (che include la cella e il pacco) è diminuito dell’85% dal 2010 al 2018, raggiungendo una media di 176 dollari/kWh. BloombergNEF prevede inoltre che i prezzi scenderanno a 94 dollari/kWh entro il 2024 e a 62 dollari/kWh entro il 2030.

Questa curva di costo in calo ha importanti implicazioni per qualsiasi azienda che utilizza le batterie per i propri servizi o per coloro che hanno la necessità di immagazzinare energia (ad esempio, i produttori di energia). Fino ad oggi, la maggior parte delle vendite di batterie agli ioni di litio è avvenuta nel settore dell’elettronica di consumo, ma le vendite future saranno sempre più trainate dalle auto elettriche.

La maggior parte delle auto oggi in circolazione utilizzano ancora una batteria al piombo e un motore a combustione interna. Ma le vendite di veicoli elettrici, alimentati da batterie agli ioni di litio, sono aumentate di oltre dieci volte negli ultimi cinque anni. Inoltre, sempre più paesi stanno fissando futuri divieti sulle automobili basate sulla combustione interna, con l’aspettativa che i veicoli elettrici finiranno per dominare il trasporto personale.

Ciò, ovviamente, significa una domanda futura molto maggiore di batterie. Tanto che il produttore di veicoli elettrici Tesla, in collaborazione con Panasonic, sta investendo miliardi di dollari per costruire nuove fabbriche di batterie agli ioni di litio. Tuttavia, i produttori statunitensi di batterie agli ioni di litio stanno perdendo terreno in termini di quote di mercato.

Un mercato in crescita correlato per le batterie agli ioni di litio è quello delle applicazioni industriali pesanti come carrelli elevatori, spazzatrici e lavapavimenti, applicazioni di supporto a terra negli aeroporti e veicoli a guida automatica (AGV). Queste applicazioni di nicchia sono state storicamente servite dalle batterie al piombo e dai motori a combustione interna, ma l’economia si è rapidamente spostata a favore delle batterie agli ioni di litio.

La Cina al posto di guida

Secondo un’analisi di BloombergNEF, all’inizio del 2019 c’erano 316 gigawattora (GWh) di capacità produttiva globale di celle al litio. La Cina ospita il 73% di questa capacità, seguita dagli Stati Uniti, molto indietro, al secondo posto, con il 12% della capacità globale.

Si prevede che la capacità globale crescerà notevolmente entro il 2025, quando BloombergNEF prevede 1.211 GWh di capacità globale. Si prevede che la capacità negli Stati Uniti crescerà, ma più lentamente della capacità globale. Pertanto, si prevede che la quota statunitense nella produzione globale di celle al litio diminuirà.

Tesla sta cercando di affrontare questo problema costruendo le proprie fabbriche di batterie, ma per le aziende che forniscono un’ampia gamma di questi tipi di batterie, come OneCharge con sede in California, trovare fornitori locali si è rivelato difficile. Di recente ho parlato con il CEO di OneCharge Alex Pisarev, che ha evidenziato le sfide che la sua azienda ha dovuto affrontare:

“I produttori americani sarebbero felici di utilizzare celle agli ioni di litio prodotte negli Stati Uniti”, mi ha detto Pisarev, “ma questo non è realistico oggi. Quindi dobbiamo continuare a importarli dalla Cina”.

La Cina sta seguendo la stessa strada intrapresa in precedenza con i pannelli solari. Mentre le celle solari sono state inventate dall’ingegnere americano Russell Ohl, oggi la Cina domina il mercato globale dei pannelli solari. Ora la Cina si concentra sul controllo della produzione mondiale di batterie agli ioni di litio.

È preferibile disporre delle tecnologie verdi più economiche possibili, anche se ciò significa cedere la produzione ad altri paesi? I bassi prezzi dei pannelli solari hanno contribuito a favorire un’esplosione della nuova crescita del solare fotovoltaico e questo, a sua volta, ha sostenuto molti posti di lavoro negli Stati Uniti. Ma la maggior parte di questi pannelli è prodotta in Cina. L’amministrazione Trump ha tentato di affrontare questo problema imponendo tariffe sui pannelli solari importati, ma queste tariffe sono state vigorosamente contrastate dalla maggior parte dell’industria solare statunitense.

La Cina ha il grande vantaggio di avere manodopera a basso costo, che le ha permesso di dominare molte industrie manifatturiere. Ma la Cina ha anche più riserve di litio e una produzione di litio molto maggiore rispetto agli Stati Uniti. Nel 2018, la produzione cinese di litio è stata di 8.000 tonnellate, il terzo tra tutti i paesi e quasi dieci volte la produzione di litio degli Stati Uniti. Le riserve cinesi di litio nel 2018 ammontavano a un milione di tonnellate, quasi 30 volte i livelli statunitensi.

Il percorso da seguire

Le tendenze segnalano che le batterie agli ioni di litio sostituiranno sempre più le batterie al piombo nei settori dei trasporti e delle attrezzature pesanti. Si tratta di uno sviluppo critico in un mondo alle prese con emissioni record di anidride carbonica.

Ma con un tale vantaggio sia in termini di costi di produzione che di disponibilità di materie prime, gli Stati Uniti possono competere con la Cina sul mercato mondiale? In caso contrario, poiché un numero crescente di batterie agli ioni di litio raggiunge la fine della loro vita utile, gli Stati Uniti riusciranno a sviluppare un mercato competitivo per il litio riciclato?

Queste sono domande importanti che devono essere affrontate.

Non è chiaro come la Cina affronterà tali sfide, ma data la sua incessante ricerca del litio e l’importanza strategica che attribuisce al metallo, senza dubbio si troveranno delle soluzioni. In molti modi, l’adozione da parte della Cina dei trasporti verdi è una buona cosa, poiché espande l’interesse nel settore e spinge le nazioni concorrenti a cercare di recuperare terreno in termini di quota di fornitura di litio e di mercato delle batterie ricaricabili. Il pericolo è che continuino a restare indietro, lasciando alla Cina il monopolio su quello che potrebbe presto diventare il settore dei trasporti mainstream.

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