Tieni d’occhio le batterie – The Post

Tieni d'occhio le batterie - The Post

Questa settimana, il CEO di Tesla Elon Musk ha celebrato il “Battery Day”, un evento dedicato alla tecnologia delle batterie e a come renderà le auto Tesla più potenti ed economiche. Musk ha fatto alcune promesse entusiasmanti e tutte sono progredite nel tempo, come un’auto elettrica che costerà $ 25.000 ma non arriverà per alcuni anni (a causa delle promesse imprecise di Musk, le azioni di Tesla ha perso molti punti in borsa). Ma con le sue promesse, ha ricordato che l’industria dell’auto elettrica ruota intorno alle batterie: la potenza, la velocità, l’autonomia e la durata negli anni dell’auto dipendono dal modo e dalla carica della batteria. e non si tratta solo di automobili.

Le batterie sono uno dei punti deboli di molte industrie high-tech perché il loro miglioramento non può tenere il passo con quello di altri componenti importanti. La potenza di calcolo dei processori, ad esempio, segue ampiamente la famosa legge di Moore, secondo la quale la potenza dei computer raddoppia ogni due anni circa (si parla molto della legge di Moore è ancora valido o no, ma diamolo per scontato). I computer, aumentando la potenza, aumentano anche il fabbisogno energetico. Ma la capacità della batteria aumenta molto più lentamente e funge da collo di bottiglia. In teoria sarebbe già possibile avere smartphone e laptop molto più veloci di noi, con processori più potenti, ma nessuno li produce perché le batterie si esaurirebbero subito: se vogliamo velocizzare sviluppo tecnologico, abbiamo bisogno di batterie migliori.

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Le batterie sono anche il punto debole di molte politiche per promuovere le energie rinnovabili. Come, come si è ricordato l ‘Economista Qualche tempo fa, per fare affidamento su fonti energetiche intermittenti come il sole e il vento, era necessario disporre di sistemi efficienti per il risparmio energetico: sarebbero necessarie batterie efficienti, di enorme capacità e molto economici, che purtroppo non esistono ancora.

Inoltre, come mostrato in un rapporto pubblicato di recente dell’Ufficio europeo dei brevetti (EPO) e intitolato “Innovazione nelle batterie e nello stoccaggio di elettricità – Un’analisi globale basata sui dati dei brevetti”, l’uso dell’elettricità è in crescita in tutto il mondo. il che ci costringe anche a trovare un modo per risparmiare questa energia e utilizzarla quando serve: le batterie, appunto.

La stragrande maggioranza delle batterie attualmente sul mercato sono agli ioni di litio, una tecnologia sviluppata dagli anni ’70 da alcuni scienziati (i più importanti di loro, John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino, Hanno ricevuto l’anno scorso il Premio Nobel per la chimica) e che è stato commercializzato da Sony nel 1991. Semplificando molto, le batterie agli ioni di litio immagazzinano e rilasciano energia elettrica facendo passare un flusso di elettroni tra due elettrodi: negativo (anodo) e positivo (catodo). Il video qui sotto spiega la storia e il funzionamento della batteria in modo semplice e puoi selezionare i sottotitoli in italiano.

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Il litio è il più leggero tra gli elementi solidi e ha molte proprietà che lo rendono perfetto per la produzione di batterie, ma le crescenti esigenze hanno dato un enorme impulso alla ricerca sul campo: secondo il rapporto EPO Il numero di brevetti relativi alle tecnologie di accumulo di energia è aumentato del 704% tra il 2000 e il 2018, e la maggior parte di essi riguarda l’energia elettrica, a fronte di un aumento del 213% del numero totale di brevetti depositati.

Per ora, le principali aree di sviluppo delle tecnologie di accumulo di energia continuare che ruota attorno alle batterie agli ioni di litio: le aziende stanno cercando di rendere le batterie esistenti più efficienti e potenti, non di inventare qualcosa di radicalmente nuovo. Ci sono, tuttavia, molte aree di ricerca più avanzate e promettenti che vedremo.

Ci sono molte caratteristiche delle batterie che le aziende stanno cercando di migliorare, ma le principali sono: durata della batteria, durata a lungo termine e costo economico. Per capire come stanno andando le cose, rimaniamo nel settore dell’auto elettrica, il che è abbastanza indicativo perché è uno dei più dinamici e meglio finanziato e perché è facile capire le esigenze dietro ogni miglioramento. .

La maggiore durata della batteria aiuta a garantire che le auto elettriche possano percorrere più miglia tra una ricarica e l’altra e forse permettersi di andare veloci senza che la batteria si scarichi troppo. Trovare un modo per aumentare la durata della batteria è importante perché, come sa chiunque utilizzi uno smartphone, la capacità della batteria si degrada nel tempo, sia con l’uso che con il tempo. Ciò significa che l’autonomia di un’auto elettrica diminuisce lentamente ma costantemente e questo processo inevitabile dovrebbe essere rallentato il più possibile. È evidente anche l’utilità di migliorare il costo di produzione: mentre le batterie piccole, come quelle che si trovano all’interno dei telefoni, costano poche decine di dollari, ed è possibile acquistare una batteria Esterno a basso costo, le batterie più grandi sono ancora costose. e sono il motivo principale per cui i prezzi delle auto elettriche non possono ancora competere con le auto a benzina o diesel.

Nell’evento Tesla di questa settimana, ad esempio, la notizia riguardava due di queste caratteristiche, tempo di ricarica e prezzo. Tesla ha annunciato un nuovo tipo di batteria che, rispetto al modello precedente, dovrebbe avere cinque volte la densità di energia (cioè la quantità di energia che può essere immagazzinata in una batteria di 1 kg), essere sei volte più potente e dare alle auto, in media, il 16% in più di autonomia. Inoltre, si prevede una riduzione dei costi di produzione del 56% per kilowattora, anche grazie al fatto che Tesla vuole iniziare a produrre batterie in proprio, in tutti i nuovi stabilimenti (per ora la produzione è affidata a Panasonic) .

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La tecnologia di base è sempre la stessa, anche le nuove batterie Tesla sono agli ioni di litio, ma i tecnici dell’azienda hanno preso alcune precauzioni per renderle più efficienti. Nello specifico, hanno eliminato la lamella che normalmente collega la batteria all’oggetto di cui ha bisogno per ricaricarsi e apportato altri miglioramenti. Tutto questo per ora è solo sulla carta: le nuove batterie super efficienti non sono ancora entrate in produzione e non lo saranno tra qualche anno. Elon Musk è famoso anche per i suoi annunci eccessivamente ottimisti. Ma il suo obiettivo di aumentare il costo di produzione delle batterie a $ 70 per chilowattora nei prossimi dieci anni è in linea con previsioni realizzato nel 2017 da BloombergNEF, una società di ricerca, che le batterie costeranno $ 73 per chilowattora entro il 2030. Nel 2019, il costo delle batterie era $ 156 per chilowattora in media.

Uno screenshot dell’evento Tesla che mostra l’ultimo modello di batteria

Altre società si sono concentrate su diversi aspetti. Una società cinese chiamata Contemporary Amperex Technology, che fornisce batterie a molte case automobilistiche anno Domini a giugno per lo sviluppo di una batteria con una durata totale di due milioni di chilometri. Di solito, le batterie delle auto elettriche sono garantite per 150-200.000 chilometri, che è ancora una quantità considerevole. Poco si sa di questa batteria superlongeva dopo l’annuncio, ma apparentemente GM e Tesla sono in procinto di sviluppare soluzioni simili.

In generale, le innovazioni più recenti delle batterie agli ioni di litio riguardano due elementi: il catodo, cioè l’elettrodo positivo della batteria, e l’elettrolito, cioè la sostanza che permette il passaggio di ioni tra gli elettrodi e quello che in pratica conduce la corrente elettrica. Il catodo è composto da un ossido misto di litio e altri metalli, e la composizione di questo ossido può modificare notevolmente le prestazioni: nella maggior parte delle batterie utilizzate, il litio è associato al cobalto o al manganese, ma sono studiate e producono batterie al fosfato di ferro, alluminio, nichel e altri metalli.

Molte aziende mirano a rimuovere il più possibile il cobalto dalle batterie, perché è un metallo relativamente raro e perché la sua estrazione lo è eticamente discutibile. Inoltre, questi metalli rari sono uno dei motivi per cui il prezzo delle batterie rimane così alto.

L’altra grande innovazione per le batterie agli ioni di litio è la creazione di batterie allo stato solido, in cui l’elettrolito, che di solito è liquido o una sorta di gel, viene sostituito da un materiale solido, che aumenterebbe al sia la durata che la durata della batteria, e questo avrebbe un vantaggio aggiuntivo molto importante: le batterie allo stato solido non sono infiammabili. Si parla di batterie allo stato solido da almeno un decennio e molti esperti ritengono che questa sia l’innovazione su cui puntare per far fare un salto di qualità alle batterie, ma per ora ci sono alcuni problemi. da risolvere, in particolare per quanto riguarda la gestione del calore e il costo di produzione.

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Ci sono poi le batterie al litio, che sono un settore piccolo ma in crescita: nel 2018 il 45% dei brevetti sulle batterie elettriche riguardava le batterie agli ioni di litio e solo il 7,3% dei brevetti riguardava le batterie. basato su altre sostanze (gli altri brevetti non erano relativi alla chimica di una batteria). Ci sono molte esperienze e molti usi. Ad esempio, pochi giorni fa Bloomberg Egli ha detto che le batterie al sodio stanno suscitando molto interesse: hanno caratteristiche che non ne consentono l’utilizzo nell’elettronica di consumo o nelle auto elettriche ma sono promettenti ad esempio per lo stoccaggio di energia ottenuta da fonti rinnovabile.

Chi controlla le batterie
Se guardi la ricerca, i paesi più avanzati nello stoccaggio di elettricità sono il Giappone e la Corea del Sud. Secondo l’EPO, tra le dieci aziende che hanno depositato il maggior numero di brevetti nel settore delle batterie, sette sono giapponesi. tra cui spiccano Panasonic, Sony e Toyota, due sudcoreane (LG e Samsung) e un’europea, la tedesca Bosch. Tra il 2014 e il 2018, il 41% di tutti i brevetti depositati proveniva dal Giappone.

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Le cose cambiano quando si passa dalla proprietà alla produzione: è dominata dalla Cina, che controlla anche l’intera catena di approvvigionamento e l’approvvigionamento nel mercato delle batterie. SecondoEconomista, a cena produrre Il 69% delle batterie agli ioni di litio nel mondo. Secondo Benchmark Mineral Intelligence, una società di analisi britannica, l’80% delle materie prime necessarie per costruire batterie agli ioni di litio proviene da aziende cinesi, che hanno assunto il controllo di una parte significativa della catena di approvvigionamento globale. Oltre il 60% delle riserve mondiali di cobalto, ad esempio, si trova nella Repubblica Democratica del Congo, ma le 14 maggiori miniere di cobalto del paese sono tutte di proprietà cinese.

Il sito di Voice of America, l’emittente ufficiale del governo degli Stati Uniti, di recente pubblicato un articolo che dice che la fornitura globale di batterie potrebbe presto diventare un problema di sicurezza nazionale per Washington. Anche io’Economista, nella sua storia di copertina la scorsa settimana, ha scritto poco dopo aver raggiunto l’indipendenza energetica con l’estrazione del petrolio scisto ora gli Stati Uniti potrebbero trovarsi in difficoltà in un mondo sempre più dipendente dall’elettricità.

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