Rafforzamento della catena del valore delle batterie

L'industria di produzione delle batterie ha registrato una fortissima crescita negli ultimi decenni, spinta dalla crescente importanza della portabilità e della flessibilità nella vita quotidiana. Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono nate di piccole dimensioni perché sviluppate per l'elettronica di consumo negli anni '90 e, nel tempo, sono diventate un elemento fondamentale di smartphone, laptop e altro ancora.

Il cofondatore di Tesla Martin Eberhard ha poi avuto l'idea di assemblare diverse batterie al litio per alimentare i veicoli elettrici (EV). Questo perché ha capito che le tecniche utilizzate per produrre le batterie dei computer portatili potevano essere adattate alla produzione di batterie molto più grandi in modo economicamente vantaggioso. Di conseguenza, Tesla e altri produttori di veicoli elettrici hanno poi utilizzato la catena di fornitura delle batterie esistente. L'ormai famosa Tesla Roadster del 2008 era alimentata da 6.831 batterie per laptop agli ioni di litio, in grado di assicurare un'autonomia di 400 km (250 mi) e una velocità massima di oltre 200 km/h (130 mph).

Le preoccupazioni legate al clima stanno spingendo verso i veicoli elettrici e il passaggio a fonti di energia sostenibile quali, ad esempio, quella eolica, solare o geotermica ma, considerata l'intermittenza di queste fonti, diventano indispensabili tecniche di accumulo dell'energia. Le moderne batterie al litio vengono sempre più utilizzate anche per assicurare la continuità di alimentazione delle microreti che integrano la rete elettrica tradizionale. Ciò è particolarmente importante per i data center e altre applicazioni con requisiti di alimentazione ridondanti.

Nel suo percorso dalla terra ai mercati all'ingrosso e al dettaglio, il litio viene sottoposto a numerosi processi tra cui l'estrazione mineraria, la raffinazione, la produzione di batterie e la spedizione. E il prezzo delle batterie al litio riflette tutti questi passaggi intermedi. Le batterie al litio più grandi, infatti, possono essere piuttosto costose. Un pacco batterie di ricambio per una Tesla Model S costa, ad esempio, tra $8.000 e $10.000.

La catena del valore delle batterie è suddivisa in quattro fasi principali:

1. Upstream: i minatori estraggono litio, cobalto, manganese, fosfati, nichel e grafite per utilizzarli nella produzione di batterie agli ioni di litio.
2. Midstream: trasformatori e raffinatori producono materiali attivi catodici e anodici e i commercianti di materie prime acquistano e vendono questi materiali alle aziende che assemblano le celle delle batterie.
3. Downstream: i produttori di batterie costruiscono le celle in moduli che vengono poi venduti ai grossisti o ai rivenditori al dettaglio.
4. Fine vita: i riciclatori di batterie scompongono le batterie esauste nei loro singoli componenti che vengono poi riutilizzati per produrre, con diversi metodi, nuove batterie.

Il litio è reperibile in grandi quantità soprattutto in Australia, Argentina, Bolivia e Cile. La maggior parte del minerale di litio proviene dalle miniere a cielo aperto di spodumene che si trovano in Australia. La Greenbushes Mine, nell'Australia occidentale, è la più grande miniera di litio in roccia dura del mondo, con una produzione annuale di spodumene di litio che vale circa 5,6 miliardi di dollari.

In Nord e Sud America, il litio è concentrato nelle salamoie salate che si trovano sotto antiche saline. I produttori prima perforano queste falde acquifere salate e poi pompano il fluido nei letti di essiccazione, da cui l'acqua evapora lasciando dietro di sé sali di litio. Dai concentrati presenti nel letto di essiccazione possono essere estratti anche altri minerali come, ad esempio, il bromo.

Una volta estratte, le materie prime devono essere raffinate in modo da diventare utilizzabili. Secondo Bloomberg NEF , Cina, Corea del Sud e Giappone sono i principali paesi produttori di batterie al mondo. Producendo l'80% di tutte le batterie agli ioni di litio, il 70% dei catodi e l'80% degli anodi, la Cina attualmente domina la filiera di fornitura globale delle batterie agli ioni di litio, oltre a lavorare e raffinare più della metà del litio, del fosfato, del cobalto e della grafite a livello globale.

La produzione di batterie degli altri due paesi, Corea del Sud e Giappone, è notevolmente inferiore. La Corea del Sud produce il 15% degli elettrodi catodici e il 3% degli elettrodi anodici, mentre le quote del Giappone sono rispettivamente il 14% e l’11%.

Il processo di raffinazione del minerale di litio deriva da quello per la produzione del cemento e prevede, tra l'altro, le fasi frantumazione, calcinazione, macinazione e solfatazione. Lisciviazione e filtrazione servono a rimuovere altri minerali quali allumina, manganese e calcio. Questo processo continua fino a quando non si ottiene il carbonato di litio per batterie.

La produzione di batterie richiede prima l'assemblaggio di ogni singola cella e poi l'assemblaggio del numero di celle necessario. I componenti chiave includono catodo, anodo ed elettrolita. I catodi agli ioni di litio sono realizzati principalmente in litio e gli anodi in carbonio. Ogni cella comprende un separatore e una cassa, riempita con un elettrolita conduttivo, per contenere i materiali della batteria.

Anodo e catodo vengono realizzati creando una sospensione composta da materiale attivo, agenti conduttivi e un legante che viene poi depositata su un sottile substrato metallico. Questo foglio viene poi ritagliato, rifilato e calandrato, appiattendolo tra due rulli pressurizzati, per adattarsi alla batteria e successivamente essiccato. Il solvente viene recuperato per essere riutilizzato.

Una volta terminati l'anodo e il catodo, tra di loro viene installato un separatore e l'intera cassa viene riempita di gel elettrolitico.

Tra le tipiche sfide della filiera di fornitura, la catena del valore delle batterie presenta caratteristiche uniche che, per garantire sicurezza e sostenibilità, richiedono una supervisione critica. Prima di tutto, le catene di approvvigionamento devono essere gestite con attenzione per assicurare la fornitura costante di salamoie, minerali e altre materie prime necessarie. Anche se la produzione di batterie è concentrata in Cina, le materie prime provengono da tutto il mondo e qualsiasi interruzione delle spedizioni può causare gravi problemi.

Inoltre, i metodi di produzione delle batterie agli ioni di litio generano rifiuti solidi, liquidi e gassosi. E l'impatto ambientale, soprattutto nelle regioni con restrizioni ambientali poco severe, può essere importante..

Considerato il rischio intrinseco di incendio o esplosione, le attività di produzione, smaltimento e riciclo delle batterie agli ioni di litio devono essere disciplinate rigorosamente. E i rischi sono ancora maggiori quando le batterie vengono contraffatte e provengono da fonti discutibili.

Anche il riciclo delle batterie agli ioni di litio può essere difficoltoso. Sebbene siano considerati rifiuti pericolosi, i produttori possono riutilizzare queste batterie ottenendo notevoli risparmi energetici ed eliminando, nel contempo, l'impatto ambientale negativo dello smaltimento.

A causa della qualità che devono avere le materie prime, dei necessari e rigorosi controlli di qualità, dei complessi processi di produzione e dell'entità della domanda, i costi di produzione delle batterie agli ioni di litio sono elevati. Per produrre, ad esempio, una tonnellata di litio puro per batterie occorrono 289 tonnellate di minerale, 750 tonnellate di salamoia o 28 tonnellate di batterie agli ioni di litio.

Per superare questi ostacoli, i ricercatori stanno studiando la fattibilità delle batterie agli ioni di sodio. Il sodio è molto più abbondante del litio, più facile da estrarre e notevolmente meno costoso, oltre che meno volatile e più stabile.

Anche le batterie a flusso - che immagazzinano energia in un elettrolita liquido - sono in fase di studio come soluzioni di accumulo di energia su scala di rete. Questo tipo di batterie è costituito da due o più serbatoi per l'elettrolita che viene pompato attraverso una cella elettrochimica per produrre elettricità.

Tuttavia, le celle agli ioni di sodio e le batterie a flusso hanno una densità energetica inferiore, in volume e peso, rispetto alle batterie agli ioni di litio. Sono anche meno efficienti e ciò comporta applicazioni finali meno affidabili. Di conseguenza, nel prossimo futuro, le batterie agli ioni di litio rimarranno la tecnologia di elezione.

Le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato l'energia portatile, consentendo l'utilizzo di sistemi e dispositivi quali smartphone, utensili elettrici, veicoli elettrici e microreti. Con il mondo che sta virando verso le energie rinnovabili e la mobilità elettrica, la domanda di batterie non potrà che crescere. Tuttavia, la complessa e interconnessa catena del valore delle batterie al litio presenta sfide significative.

La sostenibilità globale richiede l'approvvigionamento etico delle materie prime, la mitigazione dell'impatto ambientale in tutte le fasi di produzione e la risoluzione del problema del riciclo delle batterie. Le alternative elettrochimiche come le batterie agli ioni di sodio sono promettenti ma la tecnologia agli ioni di litio rimane dominante nel campo delle batterie e rappresenta solo uno degli aspetti della transizione energetica globale e dell'impegno per la riduzione del carbonio e il raggiungimento dell'obiettivo di "emissioni nette zero" entro il 2050.