La rivoluzione energetica: Batterie e tecnologie di ricarica per la transizione ai veicoli elettrici

Siamo sull'orlo di una rivoluzione energetica? 

In questo articolo, esamineremo quattro nuove batterie e tecnologie di ricarica che potrebbero accelerare la transizione verso l'adozione di massa dei veicoli elettrici e ridurre la dipendenza della mobilità elettrica dai dannosi combustibili fossili. Ma prima, diamo un'occhiata ai colli di bottiglia e agli ostacoli attuali per l'industria EV.

I due principali colli di bottiglia per l'adozione di massa dell'industria EV sono la produzione di celle di batteria per tenere il passo con la domanda globale e il successo del lancio di stazioni di ricarica pubbliche funzionanti per mantenere i veicoli in movimento. I consumatori preferiscono aspettare che la tecnologia maturi prima di comprare, e i produttori non tendono a investire nella tecnologia finché non vedono la domanda dei consumatori. Questo è chiamato il problema dell'uovo e della gallina e sta accadendo nel mondo EV.

Secondo Graham Anderson, esperto di industria e materie prime:


"Se vogliamo avvicinarci ai nostri obiettivi di emissioni e massimizzare lo sviluppo dei veicoli elettrici, abbiamo bisogno di investimenti significativi sia nella capacità di produzione che nelle catene di approvvigionamento delle materie prime - e ne avremo bisogno presto". 

In generale, la tensione e la densità delle batterie stanno migliorando nel tempo, il che aiuta il nostro problema dell'uovo e della gallina, ma alcuni scienziati e società di ricerca sperano in una svolta 'hail mary' che aprirà i nostri colli di bottiglia EV e permetterà una rapida adozione di massa. Ma questo è possibile? Cosa ci riserva il futuro per le batterie e la tecnologia di ricarica e come possiamo alleviare questi colli di bottiglia prima che si verifichi una grande svolta?

     1. Caricabatterie ultra-veloce

Caricatore Heliox Rapid 150kW nel deposito FirstBus di Glasgow.


In sostanza, ci sono tre tipi di velocità di ricarica:

  • Caricatori lenti o notturni: 3 kWh - 7 kWh (usati principalmente a casa)
  • Caricabatterie veloci: 7 kWh - 22 kWH (usati principalmente in luoghi d'affari e parcheggi ecc.)
  • Caricatori ultra-veloci: da 50 kWh a 300 - 350 kWh+ (usati principalmente per la ricarica rapida di EV e veicoli commerciali più grandi)


Perché la velocità di ricarica è così importante? Beh, si ritorna ai colli di bottiglia. La velocità di ricarica, che a sua volta rende la ricarica più conveniente e riduce anche significativamente l'ansia da autonomia - sono citati come fattori principali nell'ostacolare l'adozione diffusa degli EV. Secondo Mer Energy:

"Per un tipico veicolo elettrico con una batteria di 62kWh e un'autonomia di 200-240 miglia, una carica di 15 minuti in un punto di ricarica di 150 kilowatt fornirebbe un'autonomia di 120-145 miglia".

Considerando che la maggior parte dei conducenti EV in movimento hanno bisogno di fermarsi per mangiare, per una pausa di conforto e per sgranchirsi le gambe, 15 minuti sono più che accettabili per la maggior parte delle persone. La realtà della ricarica on-the-go in questo momento non è di velocità che permetterebbe questo tipo di giro. Ma questo sta cambiando rapidamente.

    2. Caricabatterie da veicolo a rete (V2G)


Quindi la tecnologia vehicle-to-grid è già qui, ma non è certo in cima alla lista della maggior parte dei consumatori o delle imprese. I caricabatterie nella maggior parte dei casi sono troppo ingombranti e troppo costosi. Ma questo sta cambiando. I prezzi stanno scendendo così come le dimensioni delle unità e i clienti chiedono sempre più spesso caricatori a prova di futuro. 

Cos'è esattamente il V2G? Questi caricatori permettono ai veicoli elettrici di essere molto più che semplici dispositivi di trasporto. Questa tecnologia permette alle batterie dei veicoli elettrici di immagazzinare energia e rilasciarla alla rete elettrica quando necessario. Per esempio, quando la domanda sulla rete è alta o quando ci sono interruzioni di corrente a causa di condizioni meteorologiche avverse o problemi di infrastrutture o aggiornamenti. Secondo Virta Global:

"A livello globale ci saranno 140-240 milioni di veicoli elettrici entro il 2030. Questo significa che avremo almeno 140 milioni di piccoli accumulatori di energia su ruote con una capacità di stoccaggio aggregata di 7 TWh".


Questa tecnologia di bilanciamento della rete diventerà onnipresente nei caricabatterie del futuro e i consumatori e le imprese si aspettano che sia uno standard in un futuro non troppo lontano. 


    3. Caricabatterie mobili e tecnologia di scambio delle batterie


Caricabatterie per cellulari Heliox



Una tecnologia potenzialmente dirompente è quella dello scambio di batterie. Si entra in macchina e dopo soli tre minuti si aggiunge automaticamente una nuova batteria completamente carica e la vecchia viene tolta e inizia a ricaricarsi mentre si va via. Sembra l'ideale. 

Allora, perché non è ancora decollato e sarà il futuro della ricarica? Alcuni produttori di EV come Nio in Cina sembrano pensare di sì, ma ci sono degli ostacoli. Secondo Jeremy Michalek, 


"Poiché le batterie sono così costose, ingombranti e ad alta intensità di risorse, la creazione di vaste reti di pacchi intercambiabili - che devono essere immagazzinati, tenuti in carica e mantenuti - sarebbe uno spreco di denaro e risorse, mentre si espande l'impronta di carbonio. Molte batterie in eccesso finirebbero per rimanere in attesa dei clienti. Alla fine, i clienti assorbirebbero questi costi esorbitanti. Vedendo l'enigma, i sostenitori dello scambio hanno iniziato a propagandare la possibilità di batterie immagazzinate che restituiscono energia alla rete". 


Con la produzione di batterie che è un grande ostacolo, il mondo non può permettersi che i preziosi pacchi di batterie siano in giro inutilizzati e pronti a partire. 


I caricatori mobili non sono certamente nuovi, ma il loro caso d'uso e la loro domanda stanno crescendo man mano che la curva di adozione degli EV si sposta verso l'alto e verso destra. Con la ricarica mobile, non c'è bisogno di cambiamenti strutturali, non ci sono enormi esborsi finanziari, e non ci sono più problemi per le flotte EV che hanno bisogno di ricariche veloci su strada - che è una delle prime applicazioni dei pacchetti di ricarica mobile.


   4. Tecnologia delle batterie - stato solido e litio-zolfo


Che dire dei pacchi batteria che si caricano in pochi secondi, durano per giorni e possono iniziare a caricare via etere senza bisogno di fili? Sembra idilliaco. Beh, potrebbe non essere così lontano. Secondo la Harvard Gazette:

"Le batterie di lunga durata e a ricarica rapida sono essenziali per l'espansione del mercato dei veicoli elettrici, ma le batterie agli ioni di litio di oggi non sono all'altezza di ciò che è necessario - sono troppo pesanti, troppo costose e richiedono troppo tempo per la ricarica".


Una batteria litio-metallo è considerata il Santo Graal per la chimica delle batterie a causa della sua alta capacità e densità di energia. Questa tecnologia della batteria potrebbe aumentare la durata di vita dei veicoli elettrici a quella delle auto a benzina - da 10 a 15 anni - senza la necessità di sostituire la batteria. 

Le batterie al litio-zolfo potrebbero anche superare quelle agli ioni di litio. Si dice che la nuova tecnologia delle batterie abbia un minore impatto ambientale rispetto agli ioni di litio e costi di produzione più bassi, mentre offre il potenziale per alimentare un veicolo per 1000 km (620 miglia), o uno smartphone per 5 giorni.

Piuttosto che usare il costoso cobalto, che è vulnerabile alle fragili catene di approvvigionamento globale, usano lo zolfo, che è una materia prima economica disponibile come sottoprodotto dell'industria petrolifera. E i loro costi per unità di potenza possono offrire un risparmio sostanziale. Ci sono tuttavia alcuni problemi con questo tipo di tecnologia. Il problema principale è che le attuali batterie litio-zolfo (Li-S) non possono essere ricaricate abbastanza volte prima di fallire per renderle commercialmente valide. È tutto nella chimica interna: caricare una batteria Li-S causa un accumulo di depositi chimici che degradano la cella e accorciano la sua durata di vita.

Un altro potenziale passo avanti viene dal NIMS o dall'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali in Giappone che sta sviluppando una batteria al litio-aria. Il loro prototipo ha una densità di energia di oltre 500Wh/kg. In confronto, le batterie agli ioni di litio che si trovano nei veicoli Tesla hanno una densità di energia di 260Wh/kg. Questo tipo di tecnologia potrebbe anche essere utilizzato nel progresso degli aerei elettrici. Secondo NIMS:


""Le batterie litio-aria hanno il potenziale per essere le batterie ricaricabili per eccellenza: sono leggere e ad alta capacità, con densità di energia teorica diverse volte quella delle batterie agli ioni di litio attualmente disponibili".


Altre tecnologie includono la cattura di energia dal WiFi, dal suono, dalla natura e persino dal sudore! Il sudore, per esempio, potrebbe essere usato per alimentare gli indossabili durante l'esercizio. Quindi le possibilità per la tecnologia di ricarica delle batterie sono infinite. La cosa principale per i consumatori e le imprese è che siano sicure, economiche, affidabili e onnipresenti. Non è un compito facile. Ma le menti più brillanti ci stanno lavorando.

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