Rinnovabili, la sfida delle batterie: tutte le alternative al litio

Gli esperti non hanno più dubbi: per sostenere lo sviluppo delle fonti rinnovabili, bisogna premere il piede sull’acceleratore delle batterie. Sì perché, fatta eccezione per l’idroelettrico, la produzione di energia rinnovabile non è costante: il fotovoltaico genera energia solamente di giorno, l’eolico quando le correnti sono sufficientemente sostenute. E così si pone il problema dello storage, ovvero dell’accumulo: come conservare l’energia prodotta, per utilizzarla quando necessario? La risposta può sembrare scontata, eppure si tratta di una questione tutt’altro che banale: le batterie.

Nel corso degli ultimi decenni, la tecnologia alla base dei sistemi d’accumulo si è evoluta in modo impressionante, trovando soluzioni sempre nuove, dalla maggiore efficienza e affidabilità. E oggi lo standard di mercato è rappresentato dal litio: un metallo altamente efficiente per la conservazione di energia, dal ciclo di vita elevato e capace di supportare abbastanza velocità sostenute di ricarica. Eppure, per quanto sia versatile, non mancano anche degli intoppi: per questo, da qualche anno si stanno studiando delle valide alternative. Ho quindi deciso di raccogliere i progetti che si stanno rivelando più promettenti.

Tecnologie e limiti delle batterie al litio

Come già accennato, il litio è diventato di fatto lo standard per le batterie: è la scelta di punta per qualsiasi applicazione di storage, si tratti della piccola batteria dello smartphone oppure delle grandi soluzioni per le auto elettriche, senza dimenticare l’accumulo domestico. Parlare però di litio è fin troppo generico, poiché sono almeno sei le tecnologie oggi a disposizione:

• LCO (litio, cobalto, ossido): sono le batterie al litio più diffuse, anche perché fra le prime a essere prodotte. Vengono utilizzate soprattutto per i dispositivi elettronici, come ad esempio gli smartphone, e garantiscono buone velocità di carica e grande durata. Hanno però cicli di vita limitati – di media 500/1.000 cicli di ricarica completi – e devono essere maneggiate con cautela. Se danneggiate, infatti, possono incendiarsi;
• LMO (litio, manganese, ossido): sempre pensate per dispositivi portatili, vengono impiegate per tutti quegli strumenti che richiedono una maggiore resistenza termica e agli urti. È il caso degli attrezzi per il fai da te, come trapani e avvitatori, oppure di dispositivi medici. Rispetto alle LCO, presentano infatti un rischio d’incendio più basso;
• LFP (litio, ferro, fosfato): si tratta di batterie dall’elevata stabilità, sia termica che elettrica, utilizzate perlopiù in ambito industriale e, con meno frequenza, per lo storage. Offrono cicli di carica elevati – anche oltre i 3.000 – e forniscono una tensione costante indipendentemente dal livello di carica;
• LTO (litio titanato): meno diffuse rispetto alle tecnologie precedenti, stanno ottenendo sempre più spazio per la loro durata: possono infatti supportare anche 20.000 cicli di carica, in condizioni ottimali. Sono molto richieste nel settore delle auto elettriche, ma anche e soprattutto nelle comunicazioni satellitari e proprio nell’accumulo dell’energia prodotta da fonti rinnovabili;
• NMC (nichel, manganese, cobalto): possono garantire flussi di energia costanti e alto voltaggio, con minori rischi termici rispetto alle più comuni LCO. Per questa ragione, vengono impiegate soprattutto per l’alimentazione di piccoli mezzi di trasporto personali – come i monopattini o le bici elettriche – e in alcuni casi anche per le auto elettriche;
• NCA (nichel, cobalto, alluminio): simili alle NMC, presentano un profilo di stabilità e termico solo leggermente inferiore, in cambio di un’enorme densità energetica. Questo le rende le migliori candidate per i mezzi di trasporto più pesanti, come appunto tutti i veicoli elettrici a quattro ruote.

Ma quali sono i limiti del litio, un metallo che ha comunque permesso di rivoluzionare un intero settore – quello delle batterie – come mai si era visto prima?

• Sicurezza: per quanto le tecnologie al litio siano sempre in evoluzione e oggi capaci di garantire un buon livello di sicurezza, non si può ancora completamente escludere il – seppur abbastanza remoto – rischio d’incendio. Un problema da affrontare tuttavia senza immotivate ansie: le LCO sono le batterie più soggette a questa evenienza ma, come l’esperienza ci insegna, utilizzando i dispositivi in modo consono e come previsto dai produttori, anche abbastanza remota;
• Velocità: sebbene le batterie al litio stiano diventando sempre più veloci sul fronte delle ricariche, non si può ancora approfittare di cicli pressoché istantanei. Un problema davvero poco impattante per il settore dello storage, dove la variabile tempo è meno rilevante, mentre molto presente per l’industria delle auto. Le vetture elettriche non saranno completamente appetibili finché i tempi di ricarica non saranno pressoché sovrapponibili a quelli di un rifornimento di carburante;
• Ventilazione: per creare grandi centrali di storage, ad esempio collegate a un grande impianto fotovoltaico, bisognerà pensare a sistemi di ventilazione forzata. Non solo le alte temperature aumentano i rischi d’incendio, ma riducono anche l’efficienza delle batterie;
• Depauperamento del territorio: il litio è in sé un metallo inerte e, in natura, non è inquinante. Tuttavia, le maggiori riserve si trovano in Paesi di via di sviluppo che, spesso per la mancanza di normative specifiche, consentono estrazioni poco attente alla morfologia del territorio e alla sua contaminazione. Inoltre, oggi l’estrazione di litio è spesso ad appannaggio di manovalanza sottopagata o senza tutele.

Rinnovabili, le alternative più promettenti alle batterie al litio

La ricerca sulle batterie è in costante evoluzione, anche se questo processo avanza più lentamente rispetto alla sempre maggiore domanda mondiale di sistemi di storage. Il litio rimarrà quindi la soluzione di punta per i prossimi anni, ma vi sono delle possibili alternative che si rivelano decisamente promettenti:

• Batterie allo stato solido: sono la grande promessa del futuro per l’accumulo di energia. Anziché presentare componenti chimiche liquide al loro interno – che, oltre a poter fuoriuscire dalla batteria stessa, sono molto sensibili alle alte temperature – ricorrono a elettroliti solidi. Ciò ne aumenta sensibilmente la resistenza al calore, così come la densità energetica e la tensione erogata. E il fatto che temano poco il calore, permette di ricaricarle più velocemente;
• Batterie al magnesio: il magnesio è l’ottavo elemento più diffuso sulla terra, non è tossico né inquinante, inoltre garantisce densità di carica molto elevate. Il problema è che, quando si trova a contatto con soluzioni liquide come le sostanze chimiche tipiche delle batterie, è soggetto all’azione dell’umidità e sviluppa uno strato ossidativo che impedisce il trasferimento dell’energia. Studi recenti, tuttavia, hanno dimostrato la possibilità di aggirare questo ostacolo, con batterie “acquose”, grazie a speciali sali che ne impediscono lo stress ossidativo;
• Batterie agli ioni di sodio o batterie al sale: anche il sodio è un minerale ampiamente disponibile, è praticamente ubiquitario sulla terra, soprattutto disciolto nelle acque marine. Proprio per questo, le batterie al sale  potrebbero risultare batterie decisamente economiche, ma la ricerca è ancora in una fase abbastanza iniziale;
• Batterie al grafene: non solo è uno dei metalli più resistenti – 100 volte più del ferro – ma anche uno dei più efficienti in termini di densità energetica e durata. Il grafene può rappresentare un perfetto candidato per lo storage del futuro, poiché gli studi in corso dimostrano un’elevata stabilità termica, tempi di carica anche 70 volte più veloci rispetto al litio e un’autonomia addirittura tre volte più estesa;
• Batterie al litio-zolfo: già impiegate per alcune applicazioni militari, soprattutto negli Stati Uniti, garantiscono una densità energetica maggiore delle classiche, una più estesa durata e una buona resistenza termica. Inoltre, lo zolfo è un minerale decisamente diffuso sul Pianeta;
• Batterie alla sabbia: si tratta di batterie molto diverse dalle precedenti poiché non si basano sulla conservazione dell’energia elettrica, bensì di quella termica. La sabbia ha infatti un’elevata capacità di conservare il calore che, tramite appositi condensatori, potrebbe essere accumulato e rilasciato a seconda delle applicazioni del momento. Lo stesso calore, in seconda istanza, potrebbe essere sfruttato per produrre energia elettrica.

Queste sono solo alcune delle tante tecnologie al vaglio degli scienziati: le batterie al litio ci accompagneranno ancora per qualche anno, ma si spera che il prossimo decennio porti novità sul fronte dello storage, per un’accelerazione decisiva sul fronte delle rinnovabili!