Navigazione nella complessa catena di fornitura delle batterie per veicoli elettrici

Il crescente successo dei veicoli elettrici (EV) a livello globale è legato a una complessa - e ancora in evoluzione - catena di fornitura di batterie agli ioni di litio (Li-ion) che va dall'estrazione dei minerali grezzi alla produzione dei componenti e all'assemblaggio delle celle. Ogni fase di questo elaborato processo presenta sfide e opportunità specifiche. 

Una delle principali sfide della catena di fornitura è quella di garantire che i minerali disponibili siano sufficienti a soddisfare la crescente domanda di veicoli elettrici e i requisiti delle batterie in continua evoluzione. All'inizio del 21° secolo, i veicoli elettrici destinati ai consumatori erano molto compatti e ciò aiutava a massimizzare la limitata autonomia che, all'epoca, poteva offrire la maggior parte delle batterie agli ioni di litio. La Chevrolet Spark EV 2016, ad esempio, aveva una lunghezza di 3,7 m (147 in) e un'autonomia di 132 km (82 miglia). Negli ultimi dieci anni, tuttavia, dimensioni, autonomia e prestazioni dei veicoli sono aumentate ed è stato necessario sviluppare pacchi batteria più grandi, con le giuste combinazioni di minerali e un numero di celle più alto.

L’industria deve anche individuare metodi di riciclo sostenibili, adesso che i primi veicoli elettrici e le relative batterie agli ioni di litio si avvicinano alla fine del ciclo di vita. Questi sforzi sono essenziali per minimizzare gli sprechi e ridurre il ricorso a risorse "vergini" e il correlato impatto negativo sugli ambienti da cui vengono estratte.

Nell’ultimo decennio, l’adozione dei veicoli elettrici è aumentata vertiginosamente in tutto il mondo con le vendite che, nel 2023, hanno raggiunto la cifra record di 10,5 milioni tra veicoli full-electric e ibridi plug-in. Non ci sono segni di rallentamento; in proiezione, il tasso di crescita annuale composto dei veicoli elettrici sarà del 32% fino al 2030. Queste cifre sottolineano l’urgente necessità di trovare soluzioni efficaci e sostenibili per la catena di fornitura delle batterie.

Come la maggior parte delle batterie, anche quelle dei veicoli elettrici sono costituite da minerali di terre rare, contenenti quantità variabili di litio, cobalto, nichel e grafite. Molti di questi materiali possono essere riutilizzati e riciclati nell'ambito della cosiddetta economia circolare, al contrario del carburante per i veicoli con motore a combustione interna (ICE) che deriva dall'estrazione e dalla combustione diretta di combustibili fossili. 

Nel loro percorso dalla terra ai mercati all'ingrosso e al dettaglio delle batterie, il litio e altri minerali di terre rare attraversano tutta una serie di fasi e di processi. Queste fasi includono l’estrazione, la raffinazione, la produzione di batterie, l’assemblaggio e la spedizione. 

Il prezzo delle batterie al litio risente di tutti questi passaggi intermedi e le batterie EV più grandi possono essere piuttosto costose. Nel 2024, un pacco batterie di ricambio per una Tesla Model S costa, ad esempio, tra $8.000 e $10.000. 

Il viaggio delle batterie EV inizia nelle regioni ricche di minerali in cui vengono estratti gli indispensabili minerali di terre rare. La maggior parte di questi materiali consiste in minerali grezzi che vengono poi raffinati, lavorati, lisciviati e depurati. 

Tuttavia, le attività minerarie possono contribuire alla deforestazione, alla perdita di habitat e all’inquinamento delle acque, a meno che non vengano implementate misure responsabili di protezione ambientale. Inoltre, i minerali contenenti terre rare sono concentrati solo in alcune regioni della terra e questo fa sorgere problematiche di natura geopolitica e preoccupazioni sulle possibili interruzioni della catena di approvvigionamento, richiedendo alle parti interessate del settore di mantenere un controllo collettivo sul mercato e di lavorare insieme per mitigare, in anticipo, i potenziali impatti. 

L’industria sta rispondendo a queste sfide cercando di diversificare i minerali, adottare metodi di estrazione più rispettosi dell’ambiente e fare progressi in materia di capacità di riciclo dei minerali delle batterie. Questo tipo di iniziative può ridurre la dipendenza da materiali geopoliticamente sensibili, preservare gli ecosistemi vicino alle miniere e proteggere le risorse idriche. 

I processi midstream sono quelli che trasformano le materie prime in compositi adatti alle batterie. Queste fasi includono la trasformazione del litio in composti quali idrossido, carbonato e sali - essenziali per la produzione dei rivestimenti degli elettrodi delle batterie e dello strato elettrolitico tra il catodo e l'anodo delle celle. 

Il catodo di una batteria influisce notevolmente sulle prestazioni delle celle. In gran parte, i catodi EV sono combinazioni di leghe di cobalto e nichel ma si stanno sperimentando anche combinazioni di metalli più sicure, efficienti e diversificate. 

Gli anodi agli ioni di litio sono generalmente costituiti da un foglio di rame rivestito di grafite che permette di raccogliere gli ioni di litio durante le operazioni di ricarica e scarica. Questo componente si basa su una grafite specifica, triturata a dimensioni precise e applicata sulla superficie del rame. 

Questi processi midstream vengono condotti su larga scala perché la maggior parte delle batterie EV contiene migliaia di singole celle. Per ottenere batterie sicure ed efficienti, è indispensabile garantire la purezza dei materiali e la qualità della produzione e ciò richiede l'uso di strumenti e analizzatori sofisticati per monitorare e controllare il processo di produzione. 

Dopo la produzione, i componenti vengono combinati in celle che, per i veicoli elettrici, sono generalmente di forma cilindrica. Queste celle vengono poi assemblate in grandi pacchi batteria in grado di fornire ai veicoli livelli di energia accettabili per lunghe distanze. 

Fornire batterie in grado di assicurare una grande autonomia è un requisito fondamentale per l'affermazione dei veicoli elettrici sia nei mercati consumer che in quelli commerciali. Chi guida un veicolo con motore a combustione è abituato a fare il pieno in pochi minuti dopo aver percorso diverse centinaia di chilometri e può contare su un'ampia rete di distributori di carburante. Le stazioni di ricarica per i veicoli elettrici, invece, sono poche e troppo lontane tra loro; inoltre, nella maggior parte di queste stazioni, la ricarica di una batteria EV può richiedere ore. 

Per dare una risposta a questi problemi, l’infrastruttura di ricarica deve continuare a espandersi e concentrarsi sulla ricarica rapida ad alta potenza. Batterie sempre più potenti e con una maggiore capacità di accumulo di energia aiutano a mitigare alcune problematiche di fattibilità, soprattutto nei mercati consumer e in quelli commerciali dove i veicoli rimangono spesso parcheggiati per lunghi periodi e sono quindi più facilmente ricaricabili. 

sviluppo delle celle a idrogeno è un’altra possibilità tecnica per affrontare il problema dei tempi di ricarica ma, nella maggior parte delle regioni, le infrastrutture di rifornimento sono gravemente carenti rendendo non sostenibili, al momento, i veicoli alimentati a idrogeno nella maggior parte dei mercati. 

Le batterie agli ioni di litio possono essere pericolose a causa dell'energia immagazzinata al loro interno e delle materie prime e dei prodotti chimici altamente reattivi che contengono e che le rendono pericolosamente soggette alla combustione se esposte a scintille, gravemente deformate o costruite male. Inoltre, la decomposizione dell'elettrolita a base di litio può rilasciare nell'aria gas infiammabili come etilene, metano e idrogeno. 

La possibile fuga termica di una batteria che si surriscalda perché danneggiata o ricaricata non correttamente è un problema serio per le batterie EV. In questo caso, il calore crescente vaporizza l'elettrolita, compromettendo l'involucro della cella e rilasciando gas infiammabili. Il sovraccarico può causare la formazione di litio metallico all'interno della cella che, a sua volta, può provocare cortocircuiti interni e reagire con l'umidità ambientale. Una volta innescata, questa reazione si alimenta da sola e l'interruzione dell’alimentazione potrebbe non fermarla. Sfortunatamente, la fuga termica è difficile da rilevare finché non scoppia un incendio e questo ribadisce l’importanza di produrre celle di alta qualità.

Considerato il rapido aumento dei rifiuti costituiti dai componenti delle batterie dei veicoli elettrici arrivati a fine vita, il riciclo è recentemente diventato un aspetto critico nella catena di fornitura delle batterie EV. Con la crescente affermazione dei veicoli elettrici, cresce anche la necessità di disporre di metodi di riciclo efficienti e sostenibili, in grado di recuperare i metalli preziosi, minimizzare l’impatto ambientale e integrare l’estrazione mineraria per la produzione di nuove batterie EV.

Le batterie EV possono essere riciclate, come avviene per le batterie agli ioni di litio più piccole, tramite processi di pirometallurgia e idrometallurgia. Tuttavia, le loro grandi dimensioni, il peso e la complessità rendono ancora più difficile il recupero dei minerali. I centri di riciclo affrontano questo compito in modo diverso. Alcuni scelgono di smontare manualmente i pacchi batteria EV utilizzando squadre di lavoratori qualificati mentre altri semplicemente distruggono l'intera batteria immergendola in un liquido inerte per limitare l'ossigeno e ridurre il rischio di combustione. 

Nonostante i problemi, l’efficacia del riciclo delle batterie EV sta migliorando rapidamente, grazie anche a innovazioni come lo smontaggio robotizzato che aiuta a velocizzare le operazioni. Il riciclo delle batterie su larga scala è un’area di ricerca sempre più importante perché il numero di batterie che dovrà essere riciclato sta crescendo proporzionalmente al numero di veicoli elettrici sulle strade e al proliferare dei sistemi di accumulo di energia basati su batterie. 

Soddisfare la domanda in rapida crescita di batterie EV richiede una catena di fornitura stabile che comprenda i processi di estrazione, produzione, assemblaggio e riciclo. L’industria, inoltre, per mantenere una produzione efficiente di pacchi batteria, deve garantire un flusso continuo di componenti e materiali attraverso regioni geograficamente separate. 

La transizione alla mobilità elettrica presenta diverse sfide ma è una parte cruciale dell'impegno globale volto a ridurre le emissioni di carbonio e di gas serra. Per rispondere in modo sostenibile alle sfide poste dalla catena di fornitura dei veicoli elettrici è necessario implementare pratiche responsabili di approvvigionamento delle materie prime, mitigare l’impatto ambientale dell’estrazione mineraria, controllare rigorosamente la qualità durante la produzione e l’assemblaggio e investire nelle tecnologie di riciclo delle batterie.