Quali materie prime servono per produrre le batterie dei veicoli elettrici?

La maggior parte delle auto elettriche presenti sul mercato utilizza batterie agli ioni di litio, che offrono alte prestazioni. Per realizzarle serve un’enorme quantità di materie prime: una batteria di questo tipo in media contiene ben 185 kg di minerali e metalli! Si utilizzano tipi diversi di materiali a seconda del componente della batteria e quindi della funzione che devono svolgere. Molti di questi sono materie prime critiche: si tratta di litio, cobalto, manganese, nichel, alluminio, rame e fosfato. Vediamo quali sono i componenti delle batterie agli ioni di litio e quali materie prime utilizzano.

I componenti di una batteria agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio alternano cicli di carica (in cui ricevono energia da una fonte esterna) e di scarica (quando cedono energia per alimentare un dispositivo come il motore di un’auto elettrica). Funzionano grazie a un flusso di elettroni e di ioni (atomi carichi positivamente che hanno ceduto un elettrone) di litio che avviene tra due elettrodi. In una batteria si individuano diversi componenti, ognuno con la propria funzione e costituito da specifici materiali.

Elettrodi

Sono gli elementi che immagazzinano l’energia e costituiscono il cuore della batteria. L’elettrodo negativo (anodo) è costituito da grafite, mentre l’elettrodo positivo (catodo) da alluminio, nichel, litio, manganese, cobalto, ferro (presenti in percentuali diverse a seconda del tipo di batteria).

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Separatore

È un livello sottile che separa i due elettrodi tra loro, costituito da un polimero poroso che permette il flusso di ioni evitando il contatto tra anodo e catodo, che porterebbe a un cortocircuito.

Elettrolita

È una sostanza liquida o un gel in cui sono immersi gli elettrodi, che consente il flusso di ioni tra di essi. È costituito da un sale di litio disciolto in un solvente.

Collettori di corrente

Sono fogli metallici di alluminio o rame, che raccolgono la corrente elettrica prodotta dagli elettrodi.

Involucro esterno

È in plastica o in acciaio e alluminio e ha il compito di proteggere la batteria dagli impatti, di renderla impermeabile all’acque e di impedire la fuoriuscita di sostanze tossiche.

La composizione minerale della batteria

Una batteria agli ioni di litio con una capacità di 60 kWh contiene ben 185 kg di minerali e metalli. Per la maggior parte si tratta di grafite (il 28,1%), che costituisce l’anodo. Segue l’alluminio (18,9%), che trova impiego nel catodo, nei collettori di corrente e nell’involucro esterno. Troviamo poi il 15,7% di nichel, impiegato nel catodo, il 10,8% di rame, di cui sono fatti i collettori di corrente, e un altro 10,8% di acciaio, utilizzato per l’involucro esterno. Oltre al nichel, il catodo contiene quantità minori di manganese, cobalto, litio e ferro.

Queste percentuali variano a seconda del tipo di batterie, che vengono classificate In base alla composizione del catodo: in quelle NMC il catodo è costituito da litio, nichel, manganese e cobalto; in quelle NCA da litio, nichel, cobalto e ossido di alluminio; in quelle LFP da litio, ferro e fosfato. Il catodo è l’elemento della batteria per il quale serve la maggiore quantità di minerali e metalli, e quindi il più costoso. È anche il più importante, perché la sua composizione è determinante per le prestazioni della batteria.

Vediamo le caratteristiche delle principali materie prime che costituiscono le batterie NMC, le più comuni nel settore delle auto elettriche.

Grafite (C)

È un minerale costituito da carbonio, presente nelle rocce metamorfiche, che si forma in seguito al processo di carbonizzazione della sostanza organica. In natura è piuttosto abbondante, ma la maggior parte delle batterie agli ioni di litio utilizza grafite sintetica, prodotta dalla lavorazione degli idrocarburi. La grafite è molto leggera e ha un’ottima conducibilità elettrica, che la rende ideale per realizzare l’anodo. Inoltre, il suo costo è relativamente basso.

Litio (Li)

È un metallo piuttosto abbondante in natura e si trova in acque salate sotterranee e minerali come carbonati, idrossidi e silicati, per esempio lo spodumene o la petalite. Dalla sua lavorazione si ottengono il carbonato di litio e l’idrossido di litio, che vengono utilizzati per produrre i catodi delle batterie. Il litio è stato scelto a questo scopo per la sua leggerezza e per la facilità con cui cede un elettrone trasformandosi in ione positivo.

Cobalto (Co)

È un metallo molto diffuso in natura (in minerali tra cui la cobaltite e la heterogenite) ma in concentrazioni molto basse: per questo il cobalto viene ottenuto come sottoprodotto dell’estrazione e della raffinazione di metalli come rame e nichel. Nelle batterie può essere utilizzato ossido di cobalto o solfato di cobalto. Nel catodo, il cobalto agisce come stabilizzatore, rendendo la batteria più sicura.

Manganese (Mn)

È uno dei metalli più abbondanti nella crosta terrestre, presente in minerali come la pirolusite e la manganite. Nelle batterie si usa sotto forma di diossido di manganese non di origine naturale, ma di sintesi. Nelle batterie il manganese aumenta la stabilità e la capacità di immagazzinare energia.

Nichel (Ni)

Si ricava per la maggior parte dalle lateriti, rocce sedimentarie i cui minerali principali sono limonite e garnierite. In parte si ricava anche da solfuri di origine magmatica. La presenza del nichel nel catodo consente di immagazzinare più energia in uno spazio più piccolo e di ridurre i tempi di ricarica.

Per approfondire, ecco un video ad hoc sull'estrazione del litio: