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Jan 06, 2024

Maggiore energia e costi inferiori grazie all'innovazione delle celle delle batterie dei veicoli elettrici e dei materiali di imballaggio, una prospettiva IDTechEx

Higher Energy and lower cost through EV battery cell and pack material

Maggiore energia e costi inferiori grazie all'innovazione delle celle delle batterie dei veicoli elettrici e dei materiali di imballaggio, un IDTechEx Outlook.

I veicoli elettrici (EV) generano richieste materiali molto diverse da quelle storicamente tipiche dei mercati dei veicoli con motore a combustione. Con la continua interruzione della catena di approvvigionamento e la rapida evoluzione della tecnologia delle batterie, i materiali che saranno richiesti nei prossimi anni varieranno in modo significativo.

IDTechEx ha appena pubblicato un nuovo rapporto, "Materiali per celle e pacchi batteria per veicoli elettrici 2023-2033", che approfondisce la chimica delle batterie, la densità energetica e l'evoluzione della progettazione al fine di determinare la domanda di mercato dal 2021 al 2033 per 27 materiali diversi in mercati quali auto elettriche, autobus, camion, furgoni, veicoli a due ruote, tre ruote e microcar.

Nonostante le tendenze verso una maggiore densità energetica e un minore utilizzo di materiali per veicolo, grazie al mercato dei veicoli elettrici in rapida crescita, la domanda di materiali per batterie per veicoli elettrici crescerà di oltre 12 volte, con un valore di mercato che mostrerà un CAGR del 26% tra il 2033 e il 2021.

Materiali delle celle della batteria

La chimica delle batterie continua ad evolversi. L’obiettivo finale è sempre stato quello di raggiungere una maggiore densità energetica, ma altri fattori come il costo delle celle e la diversità della catena di approvvigionamento hanno creato domanda per sostanze chimiche alternative al di fuori del tipico NMC (nichel manganese cobalto).

Le sostanze chimiche NMC forniscono la massima densità di energia e, per migliorarla ulteriormente ed evitare l'uso del cobalto, sono passati a varianti di nichel più elevate come NMC 811 rispetto al precedente NMC 111/523. Il cobalto è un materiale più costoso e ha una fornitura molto limitata geograficamente con pratiche minerarie discutibili; la tendenza verso prodotti chimici più ricchi di nichel allevia queste preoccupazioni, anche se la domanda di nichel aumenta.

Le batterie che utilizzano sostanze chimiche LFP (litio ferro fosfato) sono quasi uscite dal mercato dei veicoli elettrici nel 2018-2019 grazie alla loro densità di energia inferiore rispetto alle NMC. Tuttavia, la necessità di una maggiore varietà nell’offerta di celle e la capacità di ridurre i costi hanno visto un’enorme ripresa nell’adozione dell’LFP, soprattutto nei segmenti di mercato di fascia medio-bassa.

Il calo della densità energetica derivante dall’utilizzo dell’LFP è stato in qualche modo compensato dai miglioramenti nell’efficienza dell’imballaggio. La maggiore adozione dell’LFP mitiga parte della domanda di materiali come nichel e cobalto.

Oltre alla chimica del catodo, c'è stata un'evoluzione anche nell'anodo. Alcuni hanno incorporato piccole percentuali di silicio nell’anodo per migliorare la densità energetica, con conseguente diminuzione dell’intensità della grafite nella cella. In futuro, si prevede che l'adozione di contenuti di silicio molto maggiori con anodi a predominanza di silicio guadagnerà interesse.

Esistono molti altri materiali fondamentali per il funzionamento di una cella di batteria, come i fogli di raccolta, i leganti e altro ancora. Anche con l’aumento della densità energetica, IDTechEx prevede un aumento di 9,4 volte della domanda annuale di materiali utilizzati nelle celle delle batterie.

Materiali del pacco batteria

Aumentare la densità energetica delle celle della batteria è importante, ma anche la costruzione del pacco nel suo insieme è un’ottima strada per migliorare la densità energetica della batteria. Il mercato ha gradualmente ridotto la quantità di materiali utilizzati per imballare le celle, aumentando il rapporto tra peso del pacco e volume rappresentato dalle celle.

Il passo avanti in questo senso è l’adozione di progetti cell-to-pack in cui la natura modulare viene rimossa a favore dell’impacchettamento di tutte le celle direttamente insieme. Nonostante la riduzione dei materiali che ciò comporta, la rapida crescita del mercato dei veicoli elettrici significa che molti dei materiali utilizzati in un pacco batteria vedranno un aumento della domanda.

La gestione termica è fondamentale per mantenere le celle a una temperatura operativa ottimale e richiede componenti come piastre fredde e tubi del refrigerante. Sono necessari materiali di interfaccia termica per favorire il trasferimento di calore tra le celle e la struttura di raffreddamento.

Prevenire la propagazione della fuga termica tra le celle e all'esterno del pacco batteria richiede materiali di protezione antincendio passivi. Il modo in cui questi materiali e componenti per la gestione termica vengono integrati sta diventando sempre più semplificato, soprattutto con l’adozione di progetti “cell-to-pack”, ma rimarrà un componente operativo critico con una domanda in aumento.