La sfida maggiore: tutti vogliono batterie più potenti

Per favorire la transizione energetica globale, dobbiamo disporre di batterie almeno cento volte più potenti di quelle odierne. Tuttavia, affinché le batterie agli ioni di litio facciano parte di un futuro più green, dobbiamo ripensare a come reperiamo i materiali e a come produciamo e ricicliamo le batterie stesse. Queste sono le parole di Y. Shirley Meng, professoressa di ingegneria molecolare presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago.

Y. Shirley Meng, professor of molecular engineering, University of Chicago’s Pritzker School of Molecular EngineeringLa tecnologia per le batterie è sempre più vista come la chiave della transizione energetica. In un periodo storico in cui la società cerca di porre fine alla sua dipendenza dai combustibili fossili, le batterie rappresentano l'alternativa più praticabile per qualsiasi cosa, dalla decarbonizzazione dei trasporti e dei processi industriali alla fornitura di gruppi di continuità e soluzioni di accumulo nella generazione di energia rinnovabile.

Sebbene la tecnologia per le batterie non abbia mai vissuto un periodo più florido, il percorso di crescita non è senza ostacoli.

"Le problematiche più gravi sono causate da due grandi carenze: la mancanza di materie prime che causa problemi a livello di supply chain e la carenza di talenti", spiega la professoressa Y. Shirley Meng, aggiungendo che anche solo pochi anni fa, nessuno avrebbe previsto una crescita così rapida del settore delle batterie.

"Il Covid ha rappresentato un importante campanello d'allarme, ricordandoci che abbiamo bisogno di una supply chain più solida", continua. "Prima della pandemia, facevamo molto affidamento sull'Asia per la fornitura di batterie, mentre ora le aziende occidentali fanno fatica a capire dove costruire impianti e come garantire l'approvvigionamento del materiale".

L'accesso alle energie rinnovabili è la chiave del successo

Tuttavia, come sottolinea Meng, una batteria è green solo quando la rete che la alimenta lo è.

Affinché la tecnologia delle batterie sia sostenibile, questa deve essere alimentata da elettroni green,

"Affinché la tecnologia delle batterie sia sostenibile, questa deve essere alimentata da elettroni green", afferma. "Se si carica l'auto collegandola a una rete che non eroga energia da fonti rinnovabili, la batteria stessa non contribuirà a ridurre l'impronta di carbonio del pianeta".

Con l'aumento della richiesta di batterie, Meng sottolinea l'importanza di costruire stabilimenti nel posto giusto e di ampliare l'accesso all'energia rinnovabile.

"La produzione di batterie deve avvenire in luoghi dove l'elettrificazione e le energie rinnovabili sono già disponibili", afferma.

Questa esigenza si estende a processi chiave, come il riscaldo industriale, che potrebbero essere resi più efficienti e sostenibili attraverso soluzioni a riscaldo elettrico.

Riscaldo elettrico per una maggiore efficienza

"Questo vale soprattutto per la produzione di catodi, dove sono necessarie temperature estremamente elevate per riscaldare i precursori per produrre i materiali catodici", spiega Meng. "L'uso di metodi di riscaldo inefficienti comporterà maggiori emissioni durante il processo di produzione".

Un altro problema è la mancanza delle materie prime cruciali necessarie per produrre batterie, come nichel, cobalto e rame. Una soluzione è cercare modi per modernizzare e aumentare l'efficienza delle società minerarie e le raffinerie di litio, mentre un'altra è esplorare alternative alle batterie agli ioni di litio.

Tecnologie per le batterie di nuova generazione

Sono attualmente allo studio diverse alternative per la produzione di batterie di nuova generazione. Secondo Meng, tre delle più promettenti includono batterie al litio-metallo, allo stato solido e agli ioni di sodio.

"Le batterie al litio-metallo hanno il potenziale di aumentare la densità energetica e potrebbero quindi rendere possibili innovazioni come le auto volanti", afferma. "Le batterie allo stato solido sono molto più sicure, ma anche molto più costose da produrre. La tecnologia per le batterie agli ioni di sodio è ancora in fase embrionale, ma potrebbe essere molto promettente perché il sodio è facilmente reperibile".

Le batterie devono anche essere progettate per il riciclaggio

Un altro modo per ridurre la pressione sulla supply chain esistente è trovare modi più efficienti per riciclare le batterie agli ioni di litio.

"Attualmente solo il 20% delle batterie agli ioni di litio viene riciclato, pertanto dobbiamo iniziare a pensare a come riutilizzare gli elementi", afferma Meng. “È un prodotto che deve essere progettato per il riciclaggio fin dall'inizio. Abbiamo bisogno che le batterie circolino sul pianeta per sempre e non vengano scaricate nelle discariche".

Capacità cento volte superiore

Guardando al futuro, Meng sottolinea l'importanza di sviluppare ciò che definisce il settore delle batterie sane.

"Per favorire la transizione energetica a livello globale, abbiamo bisogno di circa duecento terawatt/ora, ovvero una capacità superiore almeno cento volte rispetto a quella disponibile oggi", afferma, aggiungendo che questa capacità deve in qualche modo crescere senza esaurire le risorse naturali o danneggiare il pianeta.

"Dobbiamo pensare a come estrarre i minerali, dove farlo e come riciclarli", afferma Meng. "Tutto questo richiederà una pianificazione scrupolosa e un'attenta riflessione sulla distribuzione degli elementi. Mi piacerebbe vedere i nuovi produttori di batterie insediarsi in luoghi da cui sia facile accedere alle risorse rinnovabili e studiare le potenziali alternative al litio per il futuro".

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Leader nella ricerca sull'accumulo di energia

La professoressa Shirley Meng è un leader riconosciuto a livello internazionale nella ricerca sull'accumulo di energia. Dal 2021 lavora presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago come professore di ingegneria molecolare e capo scienziato per l'Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science.

La ricerca di Meng verte sulla misurazione, il controllo e la manipolazione dei dispositivi di accumulo dell'energia fondamentali e ha contribuito a realizzare batterie più potenti, più sicure e di maggiore durata. La sua ricerca ha prodotto più di 225 pubblicazioni oltre a quattro brevetti rilasciati e sei in attesa.