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L'analisi rivela un calo dei costi delle batterie agli ioni di litio: possibili ulteriori diminuzioni drastiche

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia della batteria,energia,energia verde,ioni di litio,batterie agli ioni di litio
Di DAVID L. CHANDLER, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY 23 MARZO 2021



Il prezzo delle tecnologie delle batterie agli ioni di litio ha avuto un calo del prezzo del 97% dal 1991. Credito: MIT News. Immagine del grafico per gentile concessione dei ricercatori.

L'analisi quantifica un drastico calo dei prezzi che mette in parallelo miglioramenti simili nell'energia solare ed eolica e mostra che potrebbero essere possibili ulteriori forti cali.

Il costo delle batterie ricaricabili agli ioni di litio utilizzate per telefoni, laptop e automobili è diminuito drasticamente negli ultimi tre decenni ed è stato uno dei principali motori della rapida crescita di tali tecnologie. Ma il tentativo di quantificare quel calo dei costi ha prodotto risultati ambigui e contrastanti che hanno ostacolato i tentativi di proiettare il futuro della tecnologia o ideare politiche e priorità di ricerca utili.

Ora, i ricercatori del MIT hanno effettuato un'analisi esaustiva degli studi che hanno guardato al calo dei prezzi di queste batterie, che sono la tecnologia ricaricabile dominante nel mondo di oggi. Il nuovo studio guarda indietro di oltre tre decenni, analizzando, ove possibile, i set di dati e i documenti sottostanti originali, per arrivare a un quadro chiaro della traiettoria della tecnologia.

I ricercatori hanno scoperto che il costo di queste batterie è diminuito del 97 percento da quando sono state introdotte per la prima volta in commercio nel 1991. Questo tasso di miglioramento è molto più veloce di quanto affermato da molti analisti ed è paragonabile a quello dei pannelli solari fotovoltaici, che alcuni avevano considerato essere un caso eccezionale. Le nuove scoperte sono riportate oggi sulla rivista Energy and Environmental Science, in un articolo del postdoc del MIT Micah Ziegler e della professoressa associata Jessika Trancik.

Sebbene sia chiaro che ci sono stati drastici cali dei costi in alcune tecnologie di energia pulita come il solare e l'eolico, dice Trancik, quando hanno iniziato a esaminare il calo dei prezzi delle batterie agli ioni di litio, "abbiamo visto che c'era un sostanziale disaccordo sulla rapidità con cui i costi di queste tecnologie erano diminuiti". Disaccordi simili sono emersi nel tracciare altri aspetti importanti dello sviluppo delle batterie, come la densità energetica in continuo miglioramento (energia immagazzinata all'interno di un dato volume) e energia specifica (energia immagazzinata all'interno di una data massa).

"Queste tendenze sono così importanti per portarci dove siamo adesso, e anche per pensare a cosa potrebbe accadere in futuro", afferma Trancik, professore associato presso l'Institute for Data del MIT, Sistemi e società. Sebbene fosse risaputo che il calo dei costi delle batterie fosse un fattore abilitante della recente crescita delle vendite di veicoli elettrici, ad esempio, non era chiaro quanto fosse stato grande quel calo. Attraverso questa analisi dettagliata, afferma, "siamo stati in grado di confermare che sì, le tecnologie delle batterie agli ioni di litio sono migliorate in termini di costi, a tassi paragonabili alla tecnologia dell'energia solare, e in particolare ai moduli fotovoltaici, che sono spesso considerato come una sorta di gold standard nell'innovazione dell'energia pulita.â€

Può sembrare strano che ci fosse una così grande incertezza e disaccordo su quanto siano diminuiti i costi delle batterie agli ioni di litio e quali fattori lo abbiano determinato, ma in realtà molte delle informazioni sono sotto forma di dati aziendali strettamente tenuti che è difficile per ricercatori a cui accedere. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio non viene venduta direttamente ai consumatori: non puoi andare nella tua tipica farmacia all'angolo per prendere una batteria sostitutiva per il tuo iPhone, il tuo PC o la tua auto elettrica. Invece, i produttori acquistano batterie agli ioni di litio e le integrano in elettronica e automobili. Grandi aziende come Apple o Tesla acquistano batterie a milioni o le producono da sole, a prezzi negoziati o contabilizzati internamente ma mai divulgati pubblicamente.

Oltre ad aiutare a potenziare l'elettrificazione in corso dei trasporti, ulteriori diminuzioni dei costi delle batterie agli ioni di litio potrebbero anche aumentare l'utilizzo delle batterie nelle applicazioni stazionarie come un modo per compensare la fornitura intermittente di fonti di energia pulita come solare ed eolica . Entrambe le applicazioni potrebbero svolgere un ruolo significativo nell'aiutare a ridurre le emissioni mondiali di gas serra che alterano il clima. "Non posso sopravvalutare l'importanza di queste tendenze nell'innovazione dell'energia pulita per portarci dove siamo adesso, dove inizia a sembrare che potremmo vedere una rapida elettrificazione dei veicoli e stiamo assistendo alla rapida crescita delle energie rinnovabili tecnologie energetiche", afferma Trancik. "Certo, c'è molto altro da fare per affrontare il cambiamento climatico, ma questo è stato davvero un punto di svolta".

Le nuove scoperte non sono solo una questione di ripercorrere la storia dello sviluppo delle batterie, ma di aiutare a guidare il futuro, sottolinea Ziegler. Mettendo insieme tutta la letteratura pubblicata sull'argomento della riduzione dei costi nelle celle agli ioni di litio, ha trovato “misure molto diverse del miglioramento storico. E attraverso una varietà di articoli diversi, i ricercatori stavano usando queste tendenze per dare suggerimenti su come ridurre ulteriormente i costi delle tecnologie agli ioni di litio o quando potrebbero raggiungere gli obiettivi di costo. Ma poiché i dati sottostanti variavano così tanto, " le raccomandazioni che i ricercatori stavano facendo potrebbero essere molto diverse”. Alcuni studi hanno suggerito che le batterie agli ioni di litio non sarebbero diminuite di costo abbastanza rapidamente per alcune applicazioni, mentre altri erano molto più ottimisti. Tali differenze nei dati possono in definitiva avere un impatto reale sulla definizione delle priorità di ricerca e sugli incentivi governativi.

I ricercatori hanno scavato nelle fonti originali dei dati pubblicati, in alcuni casi scoprendo che alcuni dati primari erano stati utilizzati in più studi che sono stati successivamente citati come fonti separate, o che le fonti di dati originali erano state perse lungo la strada. E mentre la maggior parte degli studi si è concentrata solo sul costo, Ziegler afferma che è diventato chiaro che un'analisi così unidimensionale potrebbe sottovalutare la rapidità con cui le tecnologie agli ioni di litio sono migliorate; oltre al costo, anche il peso e il volume sono fattori chiave sia per i veicoli che per l'elettronica portatile. Quindi, il team ha aggiunto una seconda traccia allo studio, analizzando anche i miglioramenti in questi parametri.

"Le batterie agli ioni di litio non sono state adottate perché all'epoca erano la tecnologia meno costosa", afferma Ziegler. â€Erano disponibili tecnologie per batterie meno costose. La tecnologia agli ioni di litio è stata adottata perché permette di mettere in mano l'elettronica portatile, perché permette di realizzare elettroutensili che durano più a lungo e hanno più potenza, e ci permette di costruire automobili” in grado di fornire un'autonomia di guida adeguata. "Sembrava che solo guardare i dollari per chilowattora raccontasse solo una parte della storia", dice.

Quell'analisi più ampia aiuta a definire ciò che potrebbe essere possibile in futuro, aggiunge: “Stiamo dicendo che le tecnologie agli ioni di litio potrebbero migliorare più rapidamente per determinate applicazioni di quanto sarebbe previsto osservando solo una misura delle prestazioni. Esaminando più misure, si ottiene essenzialmente un'immagine più chiara del tasso di miglioramento e questo suggerisce che potrebbero migliorare più rapidamente per applicazioni in cui le restrizioni su massa e volume sono allentate".

Trancik aggiunge che il nuovo studio può svolgere un ruolo importante nella definizione delle politiche legate all'energia. "Le tendenze dei dati pubblicati sulle poche tecnologie pulite che hanno visto importanti riduzioni dei costi nel tempo, eolica, solare e ora le batterie agli ioni di litio, tendono a essere citate più e più volte, e non solo nei documenti accademici ma nei documenti politici e rapporti di settore", afferma. “Molte importanti conclusioni sulla politica climatica si basano su queste poche tendenze. Per questo motivo è importante farli bene. C'è una reale necessità di trattare i dati con cura e di migliorare il nostro gioco in generale nel trattare i dati tecnologici e nel tracciare queste tendenze.â€

"I costi della batteria determinano la parità di prezzo dei veicoli elettrici con i veicoli con motore a combustione interna", afferma Venkat Viswanathan, professore associato di ingegneria meccanica presso la Carnegie Mellon University, che non era associato a questo lavoro. "Pertanto, la previsione del calo dei costi delle batterie è probabilmente una delle sfide più critiche per garantire una comprensione accurata dell'adozione dei veicoli elettrici".

Viswanathan aggiunge che “la scoperta che il calo dei costi può verificarsi più rapidamente di quanto si pensasse in precedenza consentirà un'adozione più ampia, l'aumento dei volumi e porterà a ulteriori diminuzioni dei costi. "I set di dati curati, analizzati e pubblicati con questo documento avranno un impatto duraturo sulla comunità".

Riferimento: "Riesame dei tassi di miglioramento della tecnologia delle batterie agli ioni di litio e diminuzione dei costi" di Micah S. Ziegler e Jessika E. Trancik, 23 marzo 2021, Energy and Environmental Science.
DOI: 10.1039/D0EE02681F

Il lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione Alfred P. Sloan.