Il grafene sembra destinato a sconvolgere il mercato delle batterie per veicoli elettrici (EV) entro la metà degli anni ’2030, secondo una nuova piattaforma di analisi di intelligenza artificiale (AI) che prevede scoperte tecnologiche basate sui dati dei brevetti globali.
Con l’accelerazione della transizione globale verso un sistema di trasporto elettrificato, la ricerca della batteria perfetta per i veicoli elettrici, che offra l’equilibrio ideale tra costi, densità energetica, sicurezza e sostenibilità ambientale, diventa sempre più importante. Ci sono circa una dozzina di produttori di batterie in lizza per il dominio del mercato; quale dei due uscirà vittorioso è la vera domanda da trilioni di dollari. Almeno nel breve termine, è probabile che le batterie tradizionali a base di litio mantengano la loro presa sul mercato, mentre le batterie a base di sodio offrono un’alternativa economica ed ecologica per determinate applicazioni, secondo una nuova ricerca di Focus, una piattaforma di analisi AI che prevede scoperte tecnologiche basate sui dati dei brevetti globali. Tuttavia, sono le batterie emergenti al grafene e a doppio ione che probabilmente un giorno sconvolgeranno davvero il mercato.
La ricerca suggerisce che le batterie al grafene, in particolare, emergeranno tra l’inizio e la metà degli anni ’2030 per sfidare le loro controparti al litio per la corona dei veicoli elettrici, poiché il prezzo della produzione di grafene scenderà vertiginosamente. Questo sviluppo promette non solo di migliorare notevolmente le prestazioni dei veicoli elettrici, ma anche di offrire un vantaggio agli obiettivi di efficienza energetica e di riduzione delle emissioni di carbonio. "Se c'è una tecnologia delle batterie da tenere d'occhio, è quella del grafene", afferma Jard van Ingen, CEO e cofondatore di Focus.
I giovani pretendenti
Focus analizza lo stato attuale delle caratteristiche chimiche delle batterie per veicoli elettrici e prevede quali sembrano destinate a dominare negli anni a venire. Utilizzando un approccio ispirato alla ricerca del Massachusetts Institute of Technology, la piattaforma Focus elabora grandi volumi di dati sui brevetti globali in tempo reale utilizzando tre tipi di intelligenza artificiale: modelli linguistici di grandi dimensioni effettuano ricerche continue negli archivi di dati sui brevetti globali per scouting tecnologico, punteggio e confronti ; la ricerca vettoriale fornisce informazioni in tempo reale sull'innovazione globale e sul panorama tecnologico; e la regressione multivariata offre analisi predittive identificando le relazioni tra i dati e i risultati del mondo reale. Focus calcola i "Livelli di preparazione tecnologica" per la maturità delle tecnologie delle batterie e un "Tasso di miglioramento tecnologico" per misurare l'aumento delle prestazioni per dollaro all'anno di diversi prodotti chimici delle batterie.
"In sostanza, per i veicoli elettrici, si tratta di trovare il giusto equilibrio tra densità energetica, sicurezza, costi e sostenibilità", afferma Kacper Gorski, responsabile delle operazioni di Focus. “Ognuna di queste sostanze chimiche porta qualcosa di unico sul tavolo e il loro sviluppo plasmerà il futuro della mobilità elettrica. La domanda chiave è, tuttavia, quali stanno effettivamente progredendo rapidamente e quali sono sopravvalutati?
Focus ha scoperto che tutte le tecnologie delle batterie basate sul litio stanno migliorando a velocità simili. Gli attuali composti chimici dominanti, litio-nichel-manganese-cobalto e litio-ferro-fosfato, stanno migliorando di anno in anno (YoY) a tassi rispettivamente del 30% e 36%. Le batterie al litio-zolfo stanno migliorando del 30% su base annua e gli anodi di silicio del 32%, il che significa che è improbabile che la coppia possa sconvolgere il mercato: le tecnologie veramente dirompenti hanno velocità di miglioramento che sono significativamente e costantemente superiori a quelle dei loro concorrenti. Allo stesso modo, sebbene sia stato scritto molto sul potenziale delle batterie al litio allo stato solido, Focus ha scoperto che la tecnologia sta migliorando solo a un tasso del 31% su base annua, il che significa che è improbabile che anch’essa possa sconvolgere gli operatori storici.
Lo stesso vale per le batterie al sodio similmente pubblicizzate, che hanno un tasso di miglioramento del 33%, inserendole nell’errore di misurazione delle batterie al litio-ferro-fosfato. Van Ingen spiega che le batterie al sodio hanno una densità energetica relativamente modesta, limitando il chilometraggio che possono offrire ai veicoli elettrici senza aggiungere troppo peso al veicolo. Avrebbero tuttavia senso per lo stoccaggio stazionario, dove il peso non è un fattore limitante. “Quindi, se tutto ciò di cui hai bisogno sono batterie relativamente economiche per le esigenze della rete, allora le batterie al sodio hanno molto senso”, afferma. “Potrebbero funzionare anche per i veicoli elettrici di fascia bassa – veicoli davvero economici, di produzione in grandi volumi progettati per brevi distanze. È una tecnologia in rapido miglioramento, ma non sconvolgerà completamente il mercato”.
Sono alcune delle sostanze chimiche nascenti delle batterie che stanno generando più entusiasmo. Le batterie al magnesio-zolfo stanno migliorando a un tasso del 24.4% su base annua, le batterie agli ioni di magnesio del 26%, le batterie ai nanofili del 35% e le batterie agli ioni di potassio del 36%. Tuttavia, tutti questi impallidiscono rispetto alle batterie al grafene, che stanno migliorando di un enorme 48.8% su base annua, o alle batterie a doppio ione, che vantano un tasso di miglioramento del 48.5% su base annua. "Poiché la velocità di miglioramento del grafene e delle batterie a doppio ione è significativamente e costantemente più elevata rispetto ad altri prodotti chimici per batterie, queste possono essere considerate dirompenti", afferma van Ingen.
Tuttavia, in un testa a testa tra i due processi chimici, Focus ritiene che le batterie al grafene abbiano il potenziale più elevato, poiché la ricerca è più sviluppata e l’elemento più onnipresente. La tecnologia offre un enorme passo avanti per le prestazioni dei veicoli elettrici, promettendo elevate densità di energia, maggiore durata del ciclo (il numero di cicli di carica e scarica che una batteria può completare prima di perdere prestazioni) e ricarica rapida. Il suo principale svantaggio al momento è il suo costo proibitivo, determinato dal prezzo incredibilmente alto della produzione di grafene.
"Il grafene è un materiale davvero basilare derivato da qualsiasi fonte di carbonio", afferma van Ingen. “Il materiale di base è davvero abbondante, è ovunque, ma il modo per trasformarlo in grafene è il limite. Gli attuali metodi di produzione sono troppo costosi”.
Le batterie al grafene, il vero disgregatore
Affinché le batterie al grafene possano sconvolgere il mercato dei veicoli elettrici, il costo di produzione del grafene deve diminuire in modo significativo. Il grafene viene attualmente prodotto a circa 200,000 dollari la tonnellata, ovvero 200 dollari al chilogrammo (kg). È difficile prevedere quanto dovrà essere economica la produzione prima che i produttori inizino a utilizzarlo nelle loro batterie, ma Focus ritiene che ciò accadrà quando il grafene sarà paragonabile al litio.
La produzione del carbonato di litio costa attualmente circa 16 dollari al kg e gli analisti ritengono che potrebbe scendere di un ulteriore 30% fino a 11 dollari al kg nel 2024. Il metodo di previsione di Focus stima la velocità di miglioramento della produzione di grafene al 36.5% su base annua. Quindi, assumendo il prezzo attuale di 200 dollari al kg e un prezzo obiettivo di 11 dollari al kg, Focus prevede che la produzione di grafene diventerà abbastanza economica da consentire al materiale di farsi strada nella chimica delle batterie entro il 2031 circa.
Secondo Focus, ci sono circa 300 organizzazioni che attualmente lavorano sulla tecnologia delle batterie al grafene. Tra le prime dieci aziende meglio posizionate per rivoluzionare il mercato delle batterie con il grafene, Focus classifica Global Graphene Group come leader. La sua controllata, Honeycomb Battery Company, ha recentemente annunciato uno storico accordo di combinazione con Nubia Brand International volto a migliorare le capacità di produzione e ricerca di Honeycomb, con un focus primario sulla tecnologia avanzata delle batterie per veicoli elettrici.
Allo stesso modo, StoreDot, l’unica start-up tra le prime dieci, ha fatto progressi impressionanti nel 2023. L’azienda è pronta per la produzione in serie delle sue celle batteria “100in5” nel 2024. Queste celle sono progettate per fornire almeno 100 miglia di autonomia. con soli cinque minuti di ricarica. StoreDot ha stretto accordi strategici con aziende del calibro di Volvo Cars (Geely), VinFast e Flex|N|Gate. All'inizio del 2024, ha collaborato con Polestar di Volvo Cars alla prima demo al mondo di ricarica di veicoli elettrici della durata di dieci minuti. La qualità della batteria è stata convalidata dopo test condotti da 15 produttori leader a livello mondiale, non mostrando alcun degrado anche dopo 1,000 cicli consecutivi di "ricarica estremamente rapida".
Toray Industries, d'altro canto, è stata identificata da Focus come il player con l'iterazione più rapida (tempo di ciclo più basso). L’azienda ha compiuto progressi significativi nella ricerca sulle batterie al grafene, sviluppando una soluzione di dispersione di grafene ultrasottile con eccellente fluidità e conduttività elettrica e termica, particolarmente vantaggiosa per applicazioni come batterie e materiali di cablaggio. Toray è quindi in grado di creare grafene molto sottile e di alta qualità da materiali di grafite poco costosi. La tecnologia, afferma Toray, offre una durata della batteria migliore del 50% rispetto ai tradizionali nanotubi di carbonio utilizzati come agenti conduttivi.
“Guardando al futuro, il più grande ostacolo ora per le batterie al grafene è trovare un metodo di produzione che possa davvero farlo su larga scala”, conclude van Ingen. Si tratta ancora di un campo prevalentemente dominato dalla ricerca, ma questa, secondo Focus, lo catapulterà nel mondo reale entro il prossimo decennio.
Fonte da Solo auto
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