Il futuro della tecnologia delle batterie

Grafite dei Grandi Laghi

La serie di batterie
Parte 5: Il futuro della tecnologia delle batterie

The Battery Series è una serie di infografiche in cinque parti che esplora ciò che gli investitori devono sapere sulla moderna tecnologia delle batterie, compresa la fornitura di materie prime, la domanda e le applicazioni future.

Presentato da: Nevada Energy Metals , eCobalt Solutions Inc. e Great Lakes Graphite

La serie di batterie - Parte 1La serie di batterie - Parte 2La serie di batterie - Parte 3La serie di batterie - Parte 4La serie di batterie - Parte 5
La serie di batterie: il futuro della tecnologia delle batterie
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Il futuro della tecnologia delle batterie

Questa è l'ultima puntata della serie di batterie. Per un riepilogo di ciò che è stato trattato finora, vedere l'evoluzione della tecnologia delle batterie, il problema energetico nel contesto, le ragioni alla base dell'aumento della domanda di ioni di litio e i materiali critici necessari per produrre batterie agli ioni di litio.

Non c'è dubbio che la batteria agli ioni di litio sia stata un importante catalizzatore per la rivoluzione verde, ma c'è ancora molto lavoro da fare per un passaggio completo alle energie rinnovabili.

Sponsor

Metalli energetici del Nevada

eCobalt Solutions Inc.

Grafite dei Grandi Laghi

La tecnologia delle batterie del futuro potrebbe:

  • Rendi le auto elettriche una scelta ovvia per qualsiasi guidatore.
  • Rendi le soluzioni di stoccaggio dell'energia su scala di rete economiche ed efficienti.
  • Rendere più fattibile un passaggio completo alle energie rinnovabili.

In questo momento, gli scienziati vedono molte innovazioni imminenti della batteria che hanno la promessa di farlo. Tuttavia, la strada verso la commercializzazione è lunga, ardua e piena di molti ostacoli imprevisti.

Il breve termine: migliorare gli ioni di litio

Per il prossimo futuro, il miglioramento della tecnologia delle batterie si basa sulle modifiche apportate alla tecnologia agli ioni di litio già esistente. Infatti, gli esperti stimano che gli ioni di litio continueranno ad aumentare la capacità del 6-7% all'anno per un certo numero di anni.

Ecco cosa sta guidando questi progressi:

Produzione efficiente

Tesla ha già fatto progressi significativi nella progettazione e produzione di batterie attraverso la sua Gigafactory:

  • Migliori processi di progettazione e produzione.
  • Il design delle celle più ampio e più lungo consente di confezionare più materiali in ciascuna cella.
  • Il nuovo sistema di raffreddamento della batteria consente di inserire più celle nel pacco batteria.

Catodi migliori

La maggior parte dei recenti progressi nella densità energetica degli ioni di litio derivano dalla manipolazione delle quantità relative di cobalto, alluminio, manganese e nichel nei catodi. Entro il 2020, si prevede che il 75% delle batterie conterrà una certa capacità di cobalto.

Per gli scienziati, si tratta di trovare i materiali e le strutture cristalline in grado di immagazzinare la massima quantità di ioni. La prossima generazione di catodi potrebbe nascere da materiali di ossido stratificato ricchi di litio (LLO) o approcci simili, come la varietà ricca di nichel.

Anodi migliori

Mentre la maggior parte dei progressi negli ioni di litio fino ad oggi è arrivata dall'armeggiare del catodo, i maggiori progressi potrebbero avvenire nell'anodo.

Gli attuali anodi di grafite possono immagazzinare solo un atomo di litio per ogni sei atomi di carbonio, ma gli anodi di silicio potrebbero immagazzinare 4,4 atomi di litio per ogni atomo di silicio. Questo è un aumento teorico di 10 volte della capacità!

Tuttavia, il problema con questo è ben documentato. Quando il silicio ospita questi ioni di litio, finisce per gonfiarsi fino al 400%. Questa variazione di volume può causare danni irreversibili all'anodo, rendendo la batteria inutilizzabile.

Per aggirare questo problema, gli scienziati stanno cercando alcune soluzioni diverse.

1. Racchiudere il silicio in una ‘gabbia’ di grafene per evitare rotture dopo l'espansione.
2. Utilizzo di nanofili di silicio, che possono gestire meglio la variazione di volume.
3. Aggiunta di silicio in piccole quantità utilizzando processi di produzione esistenti: si dice che Tesla lo stia già facendo.

Ioni di litio a stato solido

Infine, un miglioramento finale su cui si sta lavorando per la batteria agli ioni di litio è l'utilizzo di una configurazione a stato solido, piuttosto che avere elettroliti liquidi che consentono il trasferimento di ioni. Questo progetto potrebbe aumentare la densità di energia in futuro, ma ha ancora alcuni problemi da risolvere prima, come gli ioni che si muovono troppo rallentando attraverso l'elettrolita solido.

Il lungo termine: oltre gli ioni di litio

Ecco alcune nuove innovazioni in cantiere che potrebbero contribuire a rendere possibile il futuro della tecnologia delle batterie:

Litio-Aria

Anodo: Litio
Catodo: carbonio poroso (ossigeno)
Promessa: densità di energia 10 volte maggiore rispetto agli ioni di litio
Problemi: l'aria non è abbastanza pura e dovrebbe essere filtrata. Il litio e l'ossigeno formano pellicole di perossido che producono una barriera, uccidendo infine la capacità di immagazzinamento. La durata del ciclo è di soli 50 cicli nei test di laboratorio.
Variazioni: gli scienziati provano anche batterie alluminio-aria e sodio-aria.

Litio-Zolfo

Anodo: Litio
Catodo: zolfo, carbonio
Promessa: più leggero, più economico e più potente degli ioni di litio
Problemi: Espansione del volume fino all'80%, causando sollecitazioni meccaniche. Reazioni indesiderate con elettroliti. Scarsa conduttività e scarsa stabilità a temperature più elevate.
Variazioni: esistono molte varianti diverse, incluso l'uso di grafite/grafene e silicio nella chimica.

Batterie a flusso di vanadio

Catolito: Vanadio
Anolita: Vanadio
Promessa: utilizzo di ioni vanadio in diversi stati di ossidazione per immagazzinare energia potenziale chimica su larga scala. Può essere ampliato semplicemente utilizzando serbatoi di elettrolita più grandi.
Problemi: scarso rapporto energia/volume. Molto pesante; deve essere utilizzato in applicazioni stazionarie.
Variazioni: gli scienziati stanno sperimentando anche altri prodotti chimici della batteria a flusso, come lo zinco-bromo.

Serie di batterie: conclusione

Mentre il futuro della tecnologia delle batterie è molto entusiasmante, a breve e medio termine, gli scienziati si concentrano principalmente sul miglioramento degli ioni di litio già commercializzati.

Come sarà il mercato delle batterie tra 15 e 20 anni? Alla fine è difficile dirlo. Tuttavia, è probabile che alcune di queste nuove tecnologie di cui sopra aiuteranno a portare la carica verso un futuro rinnovabile al 100%.

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