Il laboratorio interdipartimentale CIRC-eV “Fabbrica Circolare per i Veicoli Elettrici del Futuro” raccoglie competenze dai dipartimenti di Meccanica (Coordinatore), Energia, Chimica, Ambientale, Elettronica e Gestionale per supportare l'industria manifatturiera nel recupero e riuso ad alto valore aggiunto di materiali e funzioni da componenti di veicoli ibridi ed elettrici post-uso, favorendo l'introduzione di nuovi modelli di economia circolare per una transizione sostenibile all’e-mobility.

L'industria automobilistica, la più importante industria manifatturiera in Europa che offre posti di lavoro a 12 milioni di persone con un fatturato di circa 780 miliardi di euro e un valore aggiunto di 140 miliardi, sta subendo una fondamentale trasformazione relativa alla transizione dai tradizionali veicoli con motore a combustione interna (ICEV - Internal Combustion Engine Vehicles) a veicoli elettrici (EV - Electric Vehicles) e ibridi (HEV - Hybrid Electric Vehicles). Nel 2020, il numero di vendite di auto ibride in Italia è più che triplicato rispetto all’anno precedente e quadruplicato quello delle elettriche [Fonte dati: UNRAE]. Si stima inoltre che entro il 2040 le vendite mondiali di veicoli elettrici ed ibridi supereranno quelle dei veicoli con motore a combustione interna.

Questa rivoluzione è accompagnata da una trasformazione fondamentale nella progettazione dell'auto, caratterizzata da un'evoluzione sostanziale dei componenti e dei materiali critici della vettura. Ad esempio, le batterie agli ioni di litio (LiB – Lithium Ion Batteries), elemento fondante dei veicoli elettrici, costituiscono il 35-50% del loro costo complessivo, mentre le componenti meccatroniche, l'elettronica intelligente ed i sensori ne sono divenuti componenti imprescindibili e predominanti. Si stima altresì che i materiali compositi ed i tecnopolimeri trovino applicazioni sempre più massicce nei veicoli elettrici e ibridi con l'obiettivo di mitigare l'aumento di peso dovuto alle batterie e all'elettronica, senza comprometterne la sicurezza e le prestazioni meccaniche.

Opportunità e nuove sfide: la missione di CIRC-eV

Il sostanziale cambiamento nella progettazione del prodotto porta, allo stesso tempo, una sfida per il trattamento di post-uso del prodotto ed una grande opportunità per nuove imprese orientate all'economia circolare, interessando in tal modo l'intera filiera del settore automobilistico. Le attuali pratiche di gestione dei prodotti a fine vita nel settore automobilistico sono dominate dal riciclo e solo una piccola parte dei componenti post-uso viene rigenerata e riutilizzata come ricambi nel mercato postvendita, ovvero unità di controllo e componenti meccatronici. Il mercato è regolato dalla direttiva CE [2000/53/CE] relativa ai veicoli a fine vita (ELV - End-of-Life Vehicles) che fissa gli obiettivi per il recupero e riuso dei materiali. Sebbene questi obiettivi siano soddisfatti nella maggior parte degli Stati membri europei, la transizione in corso verso veicoli elettrici e ibridi potrebbe seriamente minare il raggiungimento di tali obiettivi in futuro. Attualmente, la mancanza di soluzioni di trattamento post-uso sostenibili per le componenti critiche di veicoli elettrici e veicoli ibridi costituisce un serio ostacolo all'e-mobility ed è necessario progettare e verificare una nuova e sistemica strategia circolare per l’intera filiera.

La missione del Laboratorio CIRC-eV “Fabbrica Circolare per i Veicoli Elettrici del Futuro” è lo sviluppo di un nuovo concetto di Fabbrica Circolare per supportare l'industria manifatturiera nel recupero e riuso ad alto valore aggiunto di materiali e funzioni da componenti di veicoli ibridi ed elettrici post-uso, favorendo l'introduzione di nuovi modelli di economia circolare per una transizione sostenibili all’e-mobility.

Prodotti e sfide tecnologiche

CIRC-eV sarà il primo laboratorio europeo dedicato al concetto di Fabbrica Circolare, integrando funzioni di disassemblaggio, testing, riassemblaggio e riciclo dei materiali nella stessa struttura, per progettare e rendere possibili nuove soluzioni di economia circolare sostenibile per il settore dell'e-mobility. CIRC-eV sarà equipaggiato con le tecnologie abilitanti fondamentali (KET – Key Enabling Technologies) per implementare tali funzioni, concentrandosi, nella sua prima configurazione, sul componente più critico per un'e-mobility sostenibile, ovvero le batterie agli ioni di litio.

Il pacco batteria è il componente più importante di un veicolo ibrido (HEV) o elettrico (BEV), poiché garantisce la potenza e la capacità necessarie al motore. Nonostante esso sia il componente più impattante sull'intera spesa per i costi dei materiali, attualmente la tecnologia agli ioni di Litio è ritenuta, di comune accordo dalla comunità scientifica che da quella industriale, la migliore alternativa per le applicazioni a breve e medio termine nel settore della mobilità. Grazie a un mix di alta densità energetica, alta efficienza, lunga durata e affidabilità, le batterie agli ioni di litio costituiranno la principale fonte di energia nella mobilità elettrica per almeno i prossimi 10 anni. Indipendentemente dalle sue dimensioni, una cella agli ioni di litio ha una tensione nominale di 3,6 V - 3,8 V. Per questo motivo, la tensione finale del pacco, che per i veicoli elettrici è quasi sempre maggiore di 300 V, deve essere raggiunta tramite la connessione in serie di stringhe di celle. Inoltre, molte delle celle commerciali agli ioni di litio non possono fornire le capacità richieste dal veicolo per un’adeguata autonomia e pertanto le celle sono usualmente collegate, al livello gerarchico più basso, in stringhe in parallelo atte ad aumentare la capacità globale (Fig1 - Modularità e gerarchia di assemblaggio di un pacco batteria automotive).

Particolarità fondamentale delle celle agli ioni litio è, fra le altre, la curva di degradazione elettrochimica e dunque prestazionale, che è sbilanciata ed unica per ogni cella, e restituisce, dopo un ciclo di vita che può variare fra gli 8 e i 10 anni, un pacco batteria le cui celle sono contraddistinte da uno stato di salute (SOH - state-of-health) diverso per ciascuna.

Per questi particolari prodotti, la strategia più interessante è legata al remanufacturing e al riutilizzo delle celle disassemblate. Quelle dotate di adeguate proprietà residue, infatti, saranno reimpiegate in applicazioni second-life stazionarie sfruttando un approccio cross-settoriale: pacchi batteria rigenerati potranno ad esempio essere sfruttati per lo stoccaggio di energia in impianti da fonti rinnovabili o all'interno di ambienti abitativi (casa, ufficio). Al contrario, quelle celle che non mantengono proprietà post-uso sufficienti ad applicazioni secondarie saranno destinate al riciclo con l'obiettivo di recuperare i materiali ad alto valore aggiunto. Lo sviluppo delle fondamentali tecnologie abilitanti e dei sistemi di supporto decisionale per la combinazione di entrambe le soluzioni tecnologiche consentirà di scegliere la strategia migliore per la gestione delle batterie post-uso, sbloccando così un processo di commercio circolare per i veicoli elettrici.

CIRC-eV: obiettivi, focus di ricerca

L'obiettivo specifico di CIRC-eV sarà dimostrare la fattibilità tecnica ed economica della catena di processo circolare rappresentata in Figura 2 (Catena di processo circolare CIRC-eV per batterie agli ioni di litio. I passaggi funzionali in blu sono integrati nel laboratorio CIRC-eV): i moduli batteria subiscono una prima fase di caratterizzazione, dopodiché le singole celle vengono liberate attraverso un processo di disassemblaggio automatizzato, selettivo, non distruttivo ed intelligente. Le proprietà elettriche residue di ciascuna cella vengono stimate attraverso il testing elettrochimico con tecnologie all’avanguardia (EIS - Electrochemical Impedance Spectroscopy). Le celle con proprietà residue non adeguate ad un loro riutilizzo subiscono pretrattamenti meccanici per liberare e concentrare i materiali target. Questo agevola e rende più efficiente e sostenibile il riciclo idro-metallurgico a valle. Le celle con buone proprietà residue vengono ri-assemblate in batterie second life.

Le macro-sfide a livello tecnico del laboratorio CIRC-eV sono legate ai seguenti aspetti:

• Progettazione e sviluppo di un processo e un sistema di disassemblaggio delle celle sicuro ed economico, con l’adeguato livello di flessibilità atto a gestire l’elevata varietà di tipologie di batterie.
• Definizione di metodi e procedure per valutare lo stato di salute delle celle, caratterizzarne le modalità di degradazione e stimarne la vita utile residua, consentendone l'applicazione in moduli second life con prestazioni certificate.
• Sviluppo di sistemi di supporto decisionale knowledge-based e data-driven volti ad indirizzare le batterie all’applicazione secondaria più adeguata e ad assicurarne la configurazione adatta tramite opportuni sistemi di controllo (BMS - Battery Management System), soddisfando i requisiti specifici richiesti e le condizioni post-uso.
• Progettazione e sviluppo di un pretrattamento meccanico selettivo per raccogliere e separare gli ossidi metallici (Black Mass), con l'obiettivo di supportare il riciclo dei materiali chiave attraverso successivi trattamenti chimici.

L'impianto pilota CIRC-eV sosterrà attività di ricerca ed innovazione multidisciplinari, mirate a risolvere queste sfide sviluppando tecnologie ad elevato potenziale per il trasferimento industriale e la società nel suo insieme.

Il Dipartimento di Meccanica è capofila dell’iniziativa, coordinata dal Prof. Marcello Colledani, ed ospiterà CIRC-eV presso l’edificio B23. Il team di ricerca inoltre annovera anche le competenze dei Dipartimento di Energia, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” e Dipartimento di Ingegneria Gestionale.