IDTechEx esamina i modi per migliorare le batterie EV

Si prevede che il mercato globale delle batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici raggiungerà oltre 380 miliardi di dollari entro il 2034, trainato principalmente dalla domanda di auto elettriche a batteria, ma con una rapida crescita anche in altri settori, tra cui furgoni elettrici, camion, autobus, veicoli a due ruote e fuoristrada. Gli obiettivi di elettrificazione e di riduzione delle emissioni, il miglioramento delle prestazioni delle batterie e un costo totale di proprietà sempre più interessante per alcuni segmenti di veicoli stanno determinando la crescita della domanda di veicoli elettrici a batteria (EV).

Ciononostante, si cerca di migliorare le prestazioni e i costi delle batterie e, sebbene gli sviluppi possano diventare sempre più incrementali, esistono diverse possibilità di miglioramento continuo della tecnologia delle batterie agli ioni di litio. Il nuovo rapporto di ricerca di IDTechEx, “Pacchi Batterie Agli Ioni Di Litio E Sistemi Di Gestione Della Batteria Per Veicoli Elettrici 2024-2034“, offre un’analisi delle tecnologie, dei progetti e delle tendenze relative alle celle, ai pacchi e ai sistemi di gestione delle batterie (BMS) agli ioni di litio, comprese le previsioni della domanda di ioni di litio per applicazioni EV.

Le chimiche

Nel breve termine, le celle per batterie EV continueranno probabilmente a seguire le tendenze esistenti. Ad esempio, il contenuto medio di nichel nelle chimiche NMC e NCA continua ad aumentare per aumentare la densità energetica e ridurre il contenuto di cobalto. La tendenza più importante è forse lo spostamento generale verso l’LFP, un’opzione più economica e sicura rispetto all’NMC e all’NCA (anche se non intrinsecamente sicura). Sebbene la densità energetica dell’LFP possa essere inferiore del 30-40% rispetto all’NMC o all’NCA, negli ultimi anni i vantaggi del suo costo inferiore sono diventati inevitabili.

Di conseguenza, la quota di LFP nelle auto elettriche è cresciuta, anche se va notato che la maggior parte di questa crescita è stata determinata dalla riadozione in Cina. NMC e NCA sono ancora preferiti in Europa e Nord America, anche se l’LFP ha iniziato ad entrare nel mercato. I prodotti chimici NMC sono ancora preferiti anche nelle confezioni chiavi in mano per altri segmenti di veicoli. Tuttavia, le pressioni sui costi e sull’approvvigionamento dei materiali, insieme ai miglioramenti tecnologici, fanno prevedere una crescita della quota di mercato dei veicoli elettrici da parte dell’LFP.

All’orizzonte si profilano anche sviluppi più trasformativi. Continuano gli annunci di sviluppo di batterie allo stato solido, mentre si stanno già verificando le prime fasi di commercializzazione, ad esempio attraverso le batterie allo stato solido di tipo polimerico di Blue Solutions. Si prevede che l’uso di materiale anodico al silicio aumenterà con lo sviluppo di soluzioni anodiche al silicio più avanzate e di prodotti commercialmente pronti, che promettono miglioramenti nella densità energetica e nella ricarica rapida. Si continuano ad esplorare anche nuove chimiche per i catodi. Ad esempio, il fosfato di ferro e manganese di litio (LMFP) offre un’alternativa interessante con il potenziale di offrire molti dei vantaggi dell’LFP, aumentando al contempo la densità di energia più vicina a quella delle batterie di tipo NMC, anche se la diffusione commerciale è ancora limitata.

Design delle batterie

Alla luce della crescente adozione di LFP nei veicoli elettrici, i progetti di batterie cell-to-pack assumono una maggiore importanza. Questi progetti offrono una migliore efficienza di impacchettamento, aumentando la densità di energia e contribuendo a ridurre uno degli svantaggi principali dell’utilizzo di batterie LFP rispetto a quelle di tipo NMC o NCA. CATL e BYD hanno implementato progetti CTP insieme a Tesla, Stellantis e vari altri produttori. Per migliorare la densità di energia gravimetrica, si stanno spingendo gli involucri leggeri delle batterie ai polimeri come alternativa agli attuali involucri in acciaio e alluminio.

Progetti a doppia chimica sono stati esplorati anche da aziende come CATL, NIO e Our Next Energy. Our Next Energy presenta l’esempio più estremo, con il progetto di accoppiare una chimica ad alta densità di energia ma a bassa durata di ciclo come un LFP ad autonomia estesa. In definitiva, le combinazioni di diverse chimiche degli ioni di litio, o addirittura la combinazione di ioni di litio e ioni di na, potrebbero contribuire a ottimizzare gli inevitabili compromessi tra potenza, densità energetica, durata del ciclo e prestazioni a bassa temperatura.

Gestione termica

La gestione termica e la protezione antincendio sono diventate considerazioni critiche per le batterie dei veicoli elettrici alla luce dei problemi di sicurezza, degli incendi di alto profilo e dei richiami di batterie. Mentre i primi modelli di veicoli elettrici utilizzavano un raffreddamento passivo ad aria, negli ultimi anni il raffreddamento a liquido è diventato più importante in vari segmenti di veicoli. Secondo i dati IDTechEx, i modelli attivi raffreddati a liquido rappresentano il 90% del mercato delle auto elettriche, rispetto a poco più del 50% nel 2015.

Questa tendenza non riguarda solo le auto elettriche. Anche la maggior parte delle batterie chiavi in mano per i segmenti dei veicoli commerciali viene offerta con raffreddamento a liquido. Poiché gli sviluppi della tecnologia delle celle iniziano a diventare sempre più incrementali, gli sviluppi di aspetti come la gestione termica diventano sempre più importanti non solo per mantenere un funzionamento sicuro, ma anche per massimizzare le prestazioni disponibili delle batterie agli ioni di litio.

Sistemi di gestione delle batterie

Il sistema di gestione della batteria (BMS) svolge un ruolo fondamentale nel funzionamento sicuro e affidabile di qualsiasi batteria agli ioni di litio. Sebbene la funzionalità principale di un BMS sia relativamente ben definita, offre anche la possibilità di ampliare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio. I miglioramenti alla sicurezza, alla durata, alla ricarica rapida e persino alla densità di energia sono possibili grazie agli sviluppi del BMS e, soprattutto, con una minima necessità di sacrificare l’uno per l’altro.

Per migliorare le prestazioni è fondamentale lo sviluppo e l’implementazione di una stima più accurata dello stato della batteria e delle celle (ad esempio, stato di carica, stato di salute, stato di potenza), che consenta di estrarre le massime prestazioni da una batteria in modo sicuro. Oltre agli sviluppi del software e degli algoritmi BMS, si stanno commercializzando anche soluzioni BMS wireless. L’implementazione di soluzioni wireless consente di omettere gran parte dei cablaggi, contribuendo a ridurre il peso e a eliminare potenziali modalità di guasto. Sebbene la diffusione sia relativamente lenta, con l’annuncio iniziale di GM di un BMS wireless nel 2020, i produttori di semiconduttori BMS stanno offrendo soluzioni per progetti BMS wireless.

Il nuovo rapporto IDTechEx, “Batterie agli ioni di litio e sistemi di gestione delle batterie per i veicoli elettrici 2024-2034“, fornisce un’analisi delle principali innovazioni, dei progressi e delle tendenze delle batterie agli ioni di litio e dei sistemi di gestione delle batterie per i veicoli elettrici, con una discussione dei dati sulle prestazioni. Il rapporto fornisce una panoramica di alcuni dei principali fattori trainanti, delle sfide e delle scelte tecnologiche in materia di batterie per diversi segmenti di veicoli elettrici.