Le batterie al litio ferro fosfato sono oggi tra le soluzioni tecnologiche più solide nel panorama dell’accumulo energetico. La chimica LiFePO₄, si è affermata grazie a una combinazione di caratteristiche che le altre famiglie di celle agli ioni di litio faticano a offrire tutte insieme. Stabilità termica eccellente, assenza di cobalto nella formulazione, cicli di vita nell’ordine delle migliaia. Un profilo di sicurezza intrinsecamente superiore rispetto alle chimiche NMC o NCA. Tutto questo al costo di una densità energetica leggermente inferiore. Un compromesso che per le applicazioni stazionarie e per molti segmenti della mobilità elettrica risulta del tutto accettabile.

Una cella LFP è composta da quattro elementi fondamentali. Il catodo è realizzato con litio ferro fosfato, un materiale con struttura cristallina di tipo olivinico. (La denominazione olivinica si riferisce alla famiglia mineralogica a cui appartiene questa struttura. E’ caratterizzata da una disposizione molto ordinata degli atomi che conferisce al materiale una robustezza chimica eccezionale.) La stabilità termica deriva dai legami covalenti P-O all’interno del gruppo fosfato. La rendono la struttura termodinamicamente stabile anche a temperature superiori ai 200°C, ben oltre i limiti di sicurezza delle chimiche concorrenti.

L’anodo è a base di grafite, un materiale a strati sovrapposti. Durante la carica ospita gli ioni di litio intercalati tra i piani grafitici, in un processo reversibile che si ripete migliaia di volte senza degrado strutturale significativo. Il separatore è una membrana polimerica microporosa, con spessore tipicamente compreso tra 12 e 25 micrometri, che impedisce il contatto fisico tra i due elettrodi lasciando passare liberamente gli ioni. Una membrana così sottile deve garantire al tempo stesso isolamento elettrico, permeabilità ionica e stabilità termica.

Requisiti che si ottengono attraverso polimeri come il polipropilene o il polietilene, spesso in strutture multistrato. L’elettrolita, infine, è una soluzione di un sale di litio, quasi sempre esafluorofosfato di litio (LiPF₆), disciolto in una miscela di carbonati organici come etilene carbonato, dimetil carbonato e metil etil carbonato. È questo liquido che garantisce il trasporto ionico all’interno della cella durante ogni ciclo di carica e scarica.

La produzione comincia con la preparazione degli elettrodi. I materiali attivi vengono miscelati con additivi conduttivi, tipicamente nerofumo, con leganti polimerici come il PVDF, formando una pasta densa chiamata slurry. Questa pasta viene spalmata in modo uniforme su una lamina metallica sottilissima: alluminio per il catodo, rame per l’anodo. L’alluminio è chimicamente inerte ai potenziali del catodo e leggero. Il rame è necessario per l’anodo perché l’alluminio formerebbe leghe con il litio a quei potenziali, compromettendo l’integrità strutturale dell’elettrodo. La spalmatura avviene attraverso linee di coating che operano a velocità e pressioni controllate con precisione millimetrica.

Gli elettrodi così rivestiti passano in forni a essiccazione per eliminare il solvente, poi vengono sottoposti a calandratura meccanica. La calandratura è una compressione degli elettrodi tra rulli ad alta precisione: riduce la porosità, aumenta la densità del materiale attivo per unità di volume, migliora il contatto tra le particelle e incrementa la conducibilità elettrica dell’elettrodo. La porosità residua viene calibrata con attenzione, perché una densificazione eccessiva ostacola la penetrazione dell’elettrolita, mentre una porosità troppo elevata riduce la capacità energetica per unità di volume. Dopo il taglio alle dimensioni richieste, gli elettrodi vengono assemblati.

Il formato della cella determina la geometria dell’assemblaggio. Le celle cilindriche vengono realizzate per avvolgimento, con anodo, separatore e catodo arrotolati in modo compatto su se stessi. Le celle prismatiche e le pouch cell si ottengono invece per impilaggio progressivo di strati alternati. In entrambi i casi, la precisione dell’allineamento è critica: uno scostamento di pochi decimi di millimetro tra gli strati può generare zone di sovrapposizione anomala, aumentare la resistenza interna e compromettere la qualità elettrochimica della cella finita.

La fase più delicata dell’intero processo è il riempimento dell’elettrolita, che avviene in ambienti chiamati dry room. Queste camere sono classificate come ambienti a umidità relativa inferiore all’1%, con punto di rugiada che nelle aree generali di assemblaggio varia tra -30°C e -60°C e nelle zone specifiche di riempimento dell’elettrolita può scendere fino a -80°C. Il punto di rugiada è la temperatura alla quale l’aria, raffreddandosi, inizia a condensare vapore acqueo, più è basso, più l’aria è secca.

Mantenere queste condizioni richiede sistemi di deumidificazione a essiccante, diversi dai normali sistemi a refrigerazione che non riescono a operare a valori così estremi, e comporta un consumo energetico che rappresenta una quota significativa del costo operativo totale di una fabbrica di celle. La ragione fisica è diretta: qualsiasi traccia d’acqua reagisce con il LiPF₆ producendo acido fluoridrico, una sostanza altamente corrosiva che degrada i materiali interni e compromette l’efficienza elettrochimica in modo irreversibile.

Le condizioni ambientali richieste per i reparti più sensibili si avvicinano per rigore a quelle delle sale bianche farmaceutiche, con filtrazione HEPA, sovrappressione controllata, monitoraggio continuo del particolato e automazione spinta per ridurre al minimo la presenza umana nelle aree critiche.

Una volta sigillate, le celle vengono sottoposte alla formazione elettrochimica, che consiste in un ciclo controllato di carica e scarica a corrente ridotta. Durante questo primo ciclo si forma sull’anodo lo strato SEI, acronimo di Solid Electrolyte Interphase, ovvero un’interfase solida tra l’elettrolita e l’elettrodo. È un film nanometrico che si deposita per reazione chimica tra l’elettrolita e la superficie della grafite, quando il potenziale dell’anodo scende al di fuori della finestra di stabilità elettrochimica del solvente. La proprietà fondamentale che questo strato deve possedere è apparentemente contraddittoria.

Deve essere un buon conduttore ionico, per permettere agli ioni di litio di passare verso la grafite durante la carica e al tempo stesso un perfetto isolante elettronico, per impedire agli elettroni di raggiungere l’elettrolita e provocare una decomposizione continua dello stesso. Uno strato SEI ben formato, omogeneo e chimicamente stabile, protegge il sistema per tutta la vita della cella. Uno strato SEI difettoso, causato da impurità, temperature errate o correnti eccessive durante la formazione, accelera il degrado della capacità anche se tutti gli altri parametri produttivi erano corretti. Dopo la formazione, le celle vengono selezionate attraverso test di tensione a circuito aperto, misura della resistenza interna, verifica della capacità effettiva e analisi dell’autodiscarica. Solo quelle che rispettano le specifiche di progetto vengono qualificate per l’assemblaggio in moduli.

Il modulo è il livello intermedio tra la singola cella e il pacco batteria completo. Le celle qualificate vengono collegate tra loro in serie per aumentare la tensione totale, o in parallelo per aumentare la capacità complessiva, oppure in configurazioni miste che ottimizzano entrambi i parametri in funzione dell’applicazione. Il collegamento in serie di quattro celle LFP da 3,2 V nominali produce, ad esempio, una tensione di circa 12,8 V, equivalente funzionale di un blocco a piombo da 12 V nella maggior parte delle applicazioni. Le connessioni elettriche tra le celle avvengono attraverso barre collettrici chiamate busbar, generalmente in rame o alluminio, saldate con tecniche a ultrasuoni o a fascio laser.

La saldatura a ultrasuoni genera calore per attrito locale tra le superfici metalliche senza apporto di materiale esterno. Quella laser focalizza energia con estrema precisione su un punto ristretto, garantendo giunzioni con resistività molto bassa e senza zone termicamente danneggiate. I moduli vengono poi alloggiati all’interno di strutture di contenimento meccanico che svolgono anche funzione di isolamento termico e di gestione del calore prodotto durante il funzionamento, attraverso dissipatori passivi o sistemi attivi di raffreddamento a liquido.

La sicurezza del pacco batteria è affidata a sistemi concorrenti e ridondanti. Le valvole di sfogo sulle singole celle rilasciano la pressione interna in caso di evento anomalo prima che raggiunga livelli critici. I sensori termici distribuiti rilevano in tempo reale qualsiasi aumento anomalo di temperatura. I sistemi antincendio integrati, che in alcune soluzioni avanzate utilizzano gel espandente o gas inerti, intervengono in caso di propagazione termica tra celle adiacenti, un fenomeno noto come thermal runaway a cascata che rappresenta il principale scenario di rischio in un pacco batteria di grandi dimensioni. Tutto questo è coordinato dal Battery Management System, il BMS.

Il BMS è il sistema embedded di controllo del pacco batteria, ovvero un sistema elettronico a microcontrollore con firmware dedicato, integrato fisicamente nel pacco. Misura in tempo reale tensione, corrente e temperatura di ogni singola cella o gruppo di celle, gestisce il bilanciamento attivo o passivo dello stato di carica tra le celle della catena, e protegge il sistema da sovraccarica, sovrascarica, cortocircuito e inversione di polarità. Il bilanciamento è necessario perché le celle, per quanto prodotte con le stesse specifiche, presentano piccole differenze di capacità e resistenza interna che tendono ad amplificarsi nel tempo.

Senza bilanciamento, le celle più deboli si scaricano prima e si danneggiano a ogni ciclo. Il BMS comunica con l’esterno attraverso protocolli industriali come CAN bus, RS485 o Modbus, oppure in modalità wireless tramite BLE in alcune applicazioni consumer. Gestisce anche la diagnostica in tempo reale, la tracciabilità di ogni cella lungo tutta la sua vita operativa e le interfacce di integrazione con inverter fotovoltaici, sistemi di controllo industriale, veicoli elettrici o gruppi di continuità.

La fabbrica in cui tutto questo avviene è un organismo industriale complesso. Il cuore è il reparto dry room, il più costoso da costruire e mantenere. Attorno al reparto dry room si articolano le linee di coating, i reparti di calandratura e taglio. Le aree di assemblaggio e saldatura, le stazioni di formazione ed aging, e i laboratori di testing e controllo qualità. La tracciabilità digitale è pervasiva. Ogni cella porta con sé un identificatore che la segue dalla sintesi degli elettrodi fino alla vita in campo, attraverso QR code, RFID o codici seriali. Alimentano sistemi di analisi dati che permettono di correlare le variabili di processo con le prestazioni in esercizio.

In Italia la filiera ha radici reali, sebbene ancora lontane dalla scala necessaria per competere con i poli produttivi asiatici. FAAM, (Sei Industrial) ha avviato nel 2021 il sito di Teverola, in provincia di Caserta. Il primo impianto in Italia e nel Sud Europa per la produzione di celle, moduli e pacchi batteria LFP. Una capacità installata di 0,35 GWh/anno e celle pouch da 50 Ah. Il progetto Teverola 2, con capacità prevista di 8 GWh e orientamento verso celle prismatiche. Sistemi di accumulo stazionario, vede l’installazione degli impianti nel 2025 e l’avvio della produzione atteso per il 2026.

Il divario con la scala industriale richiesta dalla transizione energetica rimane però ampio. Al 2024, la Cina controllava oltre il 75% della capacità produttiva globale di batterie agli ioni di litio, con CATL che da sola rappresentava il 37% delle vendite mondiali del settore. Raggiungere livelli di costo e qualità paragonabili richiede investimenti decennali, politiche industriali coerenti e la capacità di formare e trattenere le competenze che questo tipo di produzione esige. La tecnologia esiste ed è matura. L’ecosistema industriale, quello europeo e italiano in particolare, è ancora in costruzione. L.L:

Guarda come si presenta una tipo fabbrica asiatica:

Fonti e approfondimenti

• CATL – Produzione e tecnologia
• FAAM Energy – Stabilimento di Teverola
• European Battery Alliance – EBA250
• ENEA – Programmi R&D su accumulo