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I costi delle batterie agli ioni di litio sono crollati del 97% â Ecco i motivi alla base del rapido calo dei costi

2021-12-18

I ricercatori del MIT ritengono che il fattore più importante nel drastico calo dei costi delle batterie agli ioni di litio negli ultimi decenni sia stato la ricerca e lo sviluppo, in particolare nella chimica e nella scienza dei materiali. Credito: MIT News, iStockphoto

 

Un nuovo studio rileva che gli investimenti in ricerca e sviluppo su materiali e chimica sono stati fondamentali, mentre le economie di scala hanno contribuito in misura minore.

 

Le batterie agli ioni di litio, quelle meraviglie di potenza leggera che hanno reso possibile l'era odierna dell'elettronica portatile e dei veicoli elettrici, sono crollate di costo dalla loro introduzione tre decenni fa a un ritmo simile al calo dei prezzi dei pannelli solari, come documentato da astudiapubblicato lo scorso marzo. Ma cosa ha determinato un calo dei costi così sorprendente, di circa il 97 percento?

 

Alcuni dei ricercatori dietro quello studio precedente hanno ora analizzato ciò che spiegava gli straordinari risparmi. Hanno scoperto che il fattore di gran lunga più importante era il lavoro sulla ricerca e lo sviluppo, in particolare nella chimica e nella scienza dei materiali. Ciò ha superato i guadagni ottenuti attraverso le economie di scala, sebbene questa si sia rivelata la seconda categoria di riduzioni più grande.

 

I nuovi risultati sono stati pubblicati il ​​22 novembre 2021 sulla rivista Energy and Environmental Science, in un articolo del postdoc del MIT Micah Ziegler, del neolaureato Juhyun Song PhD â19, e di Jessika Trancik, professore al MIT Istituto per i dati, i sistemi e la società.

 

Secondo Trancik, i risultati potrebbero essere utili per i responsabili politici e i pianificatori per aiutare a guidare le priorità di spesa al fine di continuare il percorso verso costi sempre più bassi per questa e altre tecnologie cruciali per lo stoccaggio dell'energia. Il loro lavoro suggerisce che c'è ancora molto spazio per ulteriori miglioramenti nelle tecnologie delle batterie elettrochimiche, dice.

 

L'analisi ha richiesto lo scavo attraverso una varietà di fonti, dal momento che gran parte delle informazioni rilevanti consiste in dati aziendali proprietari strettamente conservati. "Lo sforzo di raccolta dei dati è stato ampio", afferma Ziegler. “Abbiamo esaminato articoli accademici, rapporti dell'industria e del governo, comunicati stampa e schede tecniche. Abbiamo anche esaminato alcuni documenti legali che sono usciti. Abbiamo dovuto mettere insieme i dati provenienti da molte fonti diverse per avere un'idea di cosa stava succedendo”. Dice che hanno raccolto “circa 15.000 punti di dati qualitativi e quantitativi, attraverso 1.000 singoli record da circa 280 riferimenti”.

 

I dati dei primi tempi sono più difficili da accedere e possono presentare le maggiori incertezze, dice Trancik, ma confrontando diverse fonti di dati dello stesso periodo hanno tentato di spiegare queste incertezze.

 

Nel complesso, afferma, "stimiamo che la maggior parte del calo dei costi, oltre il 50%, provenga da attività legate alla ricerca e allo sviluppo". Ciò includeva sia il settore privato che la ricerca e sviluppo finanziati dal governo, e "la stragrande maggioranza" di quel calo dei costi all'interno di quella categoria di ricerca e sviluppo proveniva dalla ricerca sulla chimica e sui materiali.

 

È stata una scoperta interessante, dice, perché "c'erano così tante variabili su cui le persone stavano lavorando attraverso tipi di sforzi molto diversi", incluso il design delle stesse celle della batteria, i loro sistemi di produzione, le catene di approvvigionamento e presto. "Il miglioramento dei costi è emerso da una serie diversificata di sforzi e da molte persone, e non dal lavoro di pochi individui".

 

I risultati sull'importanza degli investimenti in ricerca e sviluppo sono stati particolarmente significativi, afferma Ziegler, perché gran parte di questo investimento è avvenuto dopo la commercializzazione della tecnologia delle batterie agli ioni di litio, una fase in cui alcuni analisti pensavano che il contributo della ricerca sarebbe diventato meno significativo. In circa un periodo di 20 anni, a partire da cinque anni dopo l'introduzione delle batterie all'inizio degli anni '90, dice, “la maggior parte della riduzione dei costi proveniva ancora dalla ricerca e sviluppo. Il contributo di ricerca e sviluppo non è terminato quando è iniziata la commercializzazione. In effetti, è stato ancora il maggior contributore alla riduzione dei costi.â

 

Lo studio ha sfruttato un approccio analitico che Trancik e il suo team hanno inizialmente sviluppato per analizzare il calo altrettanto precipitoso dei costi disiliciopannelli solari negli ultimi decenni. Hanno anche applicato l'approccio per comprendere ilin aumento costi di energia nucleare. "Questo è davvero arrivare ai meccanismi fondamentali del cambiamento tecnologico", dice. "E possiamo anche sviluppare questi modelli guardando avanti nel tempo, il che ci consente di scoprire le leve che le persone potrebbero utilizzare per migliorare la tecnologia in futuro."

 

Un vantaggio della metodologia sviluppata da Trancik e dai suoi colleghi, dice, è che aiuta a chiarire l'importanza relativa di diversi fattori quando molte variabili cambiano contemporaneamente, cosa che in genere accade quando una tecnologia migliora. "Non si tratta semplicemente di sommare gli effetti di costo di queste variabili", afferma, "perché molte di queste variabili influiscono su diverse componenti di costo. C'è questo tipo di intricata rete di dipendenze”. Ma la metodologia del team permette di “guardare come si può attribuire la variazione complessiva dei costi a quelle variabili, mappando essenzialmente quella rete di dipendenze”, dice.

 

Questo può aiutare a fornire indicazioni sulla spesa pubblica, sugli investimenti privati ​​e su altri incentivi. "Quali sono tutte le cose che potrebbero fare i diversi decisori?" chiede. “Quali decisioni hanno l'agenzia in modo da poter migliorare la tecnologia, che è importante nel caso delle tecnologie a basse emissioni di carbonio, dove stiamo cercando soluzioni ai cambiamenti climatici e abbiamo tempo limitato e risorse limitate? Il nuovo approccio ci consente potenzialmente di essere un po' più intenzionali su dove facciamo quegli investimenti di tempo e denaro.â

 

"Questo documento raccoglie i dati disponibili in modo sistematico per determinare i cambiamenti nelle componenti di costo delle batterie agli ioni di litio tra il 1990-1995 e il 2010-2015", afferma Laura Diaz Anadon, professore di politica sui cambiamenti climatici all'Università di Cambridge , che non era collegato a questa ricerca. "Questo periodo è stato importante nella storia della tecnologia e la comprensione dell'evoluzione delle componenti di costo pone le basi per il lavoro futuro sui meccanismi e potrebbe aiutare a informare gli sforzi di ricerca su altri tipi di batterie".

 

Riferimento: "Determinants of lithium-ion battery technology cost saving" di Micah S. Ziegler, Juhyun Song e Jessika E. Trancik, 22 novembre 2021, Energy and Environmental Science.
DOI: 10.1039/D1EE01313K

 

La ricerca è stata supportata dalla Alfred P. Sloan Foundation, dall'Environmental Defense Fund e dal MIT Technology and Policy Program.