Cina: tecnologie precursori delle batterie? 

Quando si sente “precursori cinesi delle batterie?”, il primo pensiero sono i volumi, i prezzi, magari anche la copia. Ma negli ultimi cinque-sette anni il quadro è diventato molto più complicato. Molte persone pensano ancora che qui tutto sia semplice: hanno preso i brevetti occidentali, li hanno ingranditi e il gioco è fatto. Infatti, se si scava nella catena del valore, soprattutto nel settore dei materiali per gli ioni di litio e dei nuovi sistemi a stato solido, si vede che i player cinesi non si limitano più a “fare”. Stanno conducendo attivamente ricerca e sviluppo, spesso in direzioni che in Occidente erano considerate vicoli ciechi a causa degli alti costi del processo. Ma ne parleremo più avanti.

Da? Fatto in Cina? a “progettato in Cina”: un’evoluzione dell’approccio

In precedenza, circa dieci anni fa, infatti, si costruiva molto sul reverse engineering. Abbiamo acquistato campioni di litio cobaltato (LCO), nichel manganese cobaltato (NMC), li abbiamo smontati e abbiamo provato a ripeterli. Ma la purezza e la stabilità dei partiti erano un incubo costante. Ricordo che nel 2015-2016 le conversazioni con i tecnici in uno dei siti di Changsha si riducevano a una cosa: "i parametri sembrano essere conformi alle specifiche, ma la batteria in uscita dà una variazione di capacità del 5-7%?". Il problema non era nella formula, ma nelle sottigliezze della sintesi dei precursori: controllo sulla dimensione delle particelle, sulla morfologia e sul contenuto di impurità a livello di ppm.

Il cambiamento è iniziato quando i principali produttori di batterie come CATL e BYD hanno iniziato a imporre requisiti rigorosi non solo sulla composizione chimica, ma anche sulle caratteristiche funzionali del materiale. Avevano bisogno non solo di polvere di nichel-cobalto-alluminio (NCA), ma di un materiale con una certa porosità che fornisse una migliore conduttività ionica nel catodo finito. Ciò ha costretto le aziende fornitrici di precursori a investire nei propri laboratori e nelle linee pilota. Qui non si tratta più di copiare, ma di personalizzare noi stessi i processi: riduzione carbotermica, sintesi idrotermale, metodi di coprecipitazione con controllo preciso di pH e temperatura.

Un caso interessante è lo sviluppo di catene per NMC 811 (ad alto contenuto di nichel). La ricerca di un'elevata densità energetica è ovvia, ma insieme al nichel crescono anche i problemi: diminuzione della stabilità termica, spostamento dei cationi nella struttura a strati. Gli ingegneri cinesi non solo hanno seguito il percorso della lega (aggiungendo alluminio, magnesio), ma hanno anche iniziato a sperimentare un rivestimento gradiente di particelle precursori: il nucleo è più ricco di nichel per il contenitore e gli strati esterni sono arricchiti con manganese o cobalto per la stabilità. Ciò richiede un controllo preciso nella fase di sintesi del precursore. Ho visto campioni di un fornitore del Sichuan: il loro approccio alla deposizione multistadio era davvero impressionante, anche se a quel tempo (un paio di anni fa) la resa sulla linea pilota era catastroficamente bassa, circa il 65%.

Dove stanno le vere difficoltà: non la chimica, ma l'ingegneria

Molti si concentrano sulle formule chimiche, ma la battaglia principale in questo momento riguarda l’ingegneria chimica e il ridimensionamento. In laboratorio è possibile ottenere un chilogrammo di un eccellente precursore dell'LFP (litio ferro fosfato) con struttura a oliva. Ma quando si tenta di arrivare a 10 tonnellate al mese, iniziano i miracoli: agglomerazione di particelle, distribuzione non uniforme degli elementi leganti, fluttuazioni nella densità apparente. Questo uccide l’economia del progetto.

Qui le aziende cinesi hanno iniziato a mostrare i loro punti di forza: flessibilità e velocità di iterazione. Spesso non hanno fabbriche gigantesche, una volta per tutte. Esistono linee pilota modulari che possono essere rapidamente riconfigurate. Un tecnologo familiare daChengdu Yizhi Technology Co.(si tratta di un istituto di progettazione creato da Huaxi Technology) una volta disse che per un cliente europeo avevano provato tre diverse configurazioni di reattore per la sintesi di un precursore dell'elettrolita solforato (per batterie a stato solido) prima di raggiungere una purezza accettabile del prodotto. Il loro sito webyzkjhx.rupiuttosto avaro di dettagli, ma dalle descrizioni dei progetti è chiaro che sono profondamente coinvolti nello sviluppo di processi chiavi in mano. - dal laboratorio alla produzione commerciale.

Altro punto dolente sono le materie prime. La dipendenza dalle importazioni di cobalto e litio non è scomparsa. Pertanto, enormi sforzi sono rivolti in due direzioni: in primo luogo, una lavorazione profonda e un riciclaggio per sfruttare al massimo le materie prime secondarie; in secondo luogo, sviluppare materiali che riducano questa dipendenza. Le batterie agli ioni di sodio possono essere considerate una svolta negli ultimi anni. E qui la Cina sembra cercare di prendere l'iniziativa non solo nella produzione di elementi, ma anche nella creazione di una catena di precursori per essi, ad esempio ossidi stratificati o composti polianionici. CATL ha già annunciato prodotti commerciali. Ma se parliamo di precursori, la sfida principale è la stabilità e il basso costo della sintesi. Ci sono successi di laboratorio, ma come sarà un lotto in tonnellata? Ci sono ancora più domande che risposte.

Batterie allo stato solido: una nuova razza e vecchi problemi con i precursori

È qui che ora si trova l'area più interessante, ma anche oscura. Tutti parlano delle batterie allo stato solido (SSB) come del Santo Graal. Ma se ci allontaniamo dall'hype, il principale problema tecnico sono le interfacce. L'elettrolita solido (solfuro, ossido, polimero) e il materiale dell'elettrodo devono essere in perfetto contatto. E anche questo dipende dai precursori.

Per gli elettroliti solforati (ad esempio Li₂S–P₂S₅sistemi) abbiamo bisogno di precursori altamente puri e la sintesi deve avvenire in un'atmosfera completamente inerte: l'ossigeno e l'umidità uccidono tutto. Le aziende cinesi, come lo stesso Chengdu Yizhi Technology Institute, stanno lavorando attivamente su metodi di sintesi in fase solida e lega meccanica su scala industriale. Ma l'ostacolo principale non è la sintesi dell'elettrolita stesso, ma la creazione di precursori per catodi compositi. È necessario depositare uniformemente il materiale attivo (ad esempio, NMC) sulle particelle dell'elettrolita solforato per creare una matrice a conduzione ionica. I metodi di miscelazione standard non funzionano: creano "zone morte". La soluzione si vede nello sviluppo di precursori specializzati, dove la struttura desiderata si forma in situ, nella fase di sintesi. Ho sentito parlare di tentativi di utilizzare tecniche di deposizione di strati atomici (ALD) adattate per la produzione di massa, ma finora è costoso e lento.

Un tentativo fallito di cui pochi parlano sono i primi progetti sugli elettroliti a ossido come LLZO (ossido di litio lantanio e zirconio). Il materiale è promettente, ma i suoi precursori richiedono una sinterizzazione ad alta temperatura (superiore a 1200°C). Hanno provato a stabilire la sintesi, ma hanno dovuto affrontare un enorme consumo di energia e il problema di controllare la stechiometria del litio: semplicemente evapora a tali temperature. Di conseguenza, molte startup hanno ridotto o congelato queste aree, passando ai solfuri o ai sistemi ibridi. Questo è un buon esempio di bella chimica di laboratorio che incontra barriere ingegneristiche ed economiche insormontabili a livello di precursore.

Guardando al futuro: integrazione di catena ed ecologia

La tendenza che diventerà decisiva è l’integrazione verticale. Grandi attori come CATL o Gotion High-Tech non acquistano più solo precursori, ma investono in joint venture con i loro produttori o costruiscono i propri impianti. Per quello? Per controllare l'intera catena, dalle materie prime all'elettrodo finito. Ciò consente di ottimizzare con precisione i parametri per un'architettura di cella specifica (ad esempio, per celle a compressa o a sacco).

Il secondo grande tema è il rispetto dell’ambiente. I regolatori europei esercitano da tempo pressioni sul tema dell’impronta di carbonio e dell’approvvigionamento responsabile. Per i fornitori cinesi questa non è solo una minaccia, ma anche un’opportunità. Vedo molte persone che iniziano a certificare i propri processi, introducendo sistemi di riciclo dei solventi nella produzione dei precursori, e lavorando su quelli “green”. metodi di sintesi, ad esempio utilizzando agenti riducenti meno tossici o in ambienti acquosi. Questa non è più una questione di pubbliche relazioni, ma una terribile necessità per entrare nei mercati globali. Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd., con il suo capitale sociale di 120 milioni di yuan e lo status di istituto di design, è una di quelle in grado di offrire ai clienti non solo un prodotto, ma una tecnologia con un calcolato equilibrio ambientale ed economico.

E un'ultima cosa. Non dovresti aspettarti nessuna cosa "assassina". svolta nella chimica dei precursori. L'evoluzione sarà graduale: un miglioramento della purezza dello 0,5%, una riduzione del costo di sintesi del 3%, un aumento della conservabilità del materiale in aria. È in questo lavoro scrupoloso e invisibile – controllo su migliaia di parametri, iterazioni su linee pilota, risoluzione di problemi di scalabilità – che risiede oggi e domani la leadership della Cina in questo settore. Sono già passati da imitatori a seri concorrenti nell'ingegneria di processo. Il passo successivo è forse quello di diventare trendsetter nella progettazione dei materiali stessi, ma questo richiede scoperte fondamentali. E non accadono secondo il programma.