Il nuovo rivale dell'LFP, l'LMFP: Cosa promettono le batterie al manganese?

LMFP è la versione modificata con manganese della chimica del catodo al litio ferro fosfato (LFP): si ottiene sostituendo alcuni atomi di ferro con manganese ed è una chimica di batteria agli ioni di litio che offre una tensione di lavoro e una densità energetica più elevate, mantenendo i vantaggi di sicurezza e costo dell'LFP. Con una densità energetica delle celle di 180-230 Wh/kg si colloca sopra l'LFP e ben al di sotto dell'NMC, con l'obiettivo di colmare il divario tra le due chimiche nel mercato dei veicoli elettrici.

Che cos'è la LMFP e a cosa serve il manganese?

LMFP è l'acronimo di litio manganese ferro fosfato; la sua formula si scrive LiMnₓFe₍₁₋ₓ₎PO₄. In sintesi, si tratta della versione in cui una parte degli atomi di ferro nel cristallo del catodo dell'LFP (LiFePO₄) è stata sostituita con manganese. L'aggiunta di manganese avviene durante la fase di produzione della cella, in proporzioni variabili all'interno della formulazione del materiale; non è un parametro regolabile successivamente a livello di pacco o di sistema. In altre parole, la percentuale di manganese da utilizzare è una decisione del produttore di materiali che sintetizza la polvere del catodo.

Il compito principale del manganese è quello di innalzare la tensione. La coppia redox Mn²⁺/³⁺ ha un potenziale di ossidazione più elevato rispetto alla coppia Fe²⁺/³⁺, e questo aumenta direttamente la tensione di lavoro della cella. Il punto da tenere presente è questo: la capacità teorica della LMFP è identica a quella dell'LFP, 170 mAh/g. L'aumento della densità energetica non deriva dalla capacità, ma dalla tensione. Poiché l'energia è definita come tensione per capacità, un catodo che offre la stessa capacità a una tensione più alta ottiene più energia dallo stesso peso.

Perché la struttura olivina resta ancora valida?

L'aggiunta di manganese non modifica lo scheletro di base della chimica. La LMFP utilizza la stessa struttura cristallina olivina dell'LFP (gruppo spaziale ortorombico Pnma). Questa struttura tridimensionale e rigida limita la deformazione del cristallo durante i cicli di carica-scarica. Rispetto ai catodi NMC a struttura stratificata, è meccanicamente molto più stabile, quindi i noti punti di forza dell'LFP, come la lunga durata di ciclo e la sicurezza termica, valgono anche per la LMFP. La differenza non sta nella struttura, ma nella miscela di metalli al suo interno.

LFP, LMFP e NMC: confronto in numeri

Mettere le tre chimiche a confronto chiarisce perché la LMFP è considerata non una soluzione di compromesso, ma un'opzione valida a sé stante. Più energia dell'LFP, migliore sicurezza e durata dell'NMC: la proposta di valore della LMFP può essere riassunta in queste due frasi.

Il rapporto riguardante la differenza di densità energetica nella tabella varia a seconda della fonte: vengono indicati valori tra il %%10 e il %%20 e questa differenza dipende dalla percentuale di manganese nella cella. Si noti l'elevata conducibilità dell'NMC riportata nella tabella; questo numero è anche il riassunto delle difficoltà produttive che affronteremo nella sezione successiva. Il valore di 10⁻¹³ S/cm della LMFP è nettamente inferiore a quello di entrambi i suoi concorrenti e non può essere utilizzato senza serie misure ingegneristiche.

Difficoltà produttive: perché l'equilibrio Mn/Fe è fondamentale?

La distanza tra i vantaggi della LMFP sulla carta e le realtà della produzione in serie deriva da quattro problemi tecnici fondamentali:

• Bassa conducibilità elettronica: Man mano che il contenuto di manganese aumenta, la conducibilità diminuisce ulteriormente; il movimento degli elettroni all'interno del catodo diventa più difficile.
• Lenta diffusione degli ioni litio: La velocità di movimento degli ioni all'interno della struttura cristallina diminuisce, il che comporta una perdita di prestazioni a correnti elevate.
• Dissoluzione del manganese: Durante i cicli, il manganese può dissolversi dall'elettrodo tramite una reazione chiamata disproporzionamento; questo è uno dei principali meccanismi di perdita di capacità.
• Distorsioni Jahn-Teller e polarone: La struttura elettronica dello ione Mn³⁺ causa distorsioni locali nel cristallo e rallenta la cinetica dell'elettrodo.

Il risultato di tutto ciò è un'equazione da risolvere nella progettazione del materiale: il manganese aumenta la densità energetica ma compromette la cinetica dell'elettrodo; il ferro garantisce stabilità e capacità di ricarica rapida. Per questo il rapporto Mn/Fe è una delle decisioni di progettazione più critiche della LMFP. Un contenuto di manganese più elevato promette una maggiore densità energetica, ma mette a rischio il comportamento di ricarica rapida e la durata della cella.

Approcci alla soluzione

Oggi i materiali LMFP commerciali superano questi problemi grazie a due tecnologie fondamentali. La prima è ridurre le particelle del catodo alla scala nanometrica: un percorso di diffusione più breve compensa il movimento lento degli ioni. La seconda è il rivestimento in carbonio: avvolgere la superficie delle particelle con uno strato di carbonio conduttivo supera la bassa conducibilità elettronica. Il rivestimento in carbonio e il drogaggio con ioni sono oggi considerati di fatto obbligatori, e grazie a questi metodi è stato possibile far superare alla durata del ciclo di vita i 2.000 cicli.

Sul fronte della sintesi si utilizzano due metodi: fase solida e fase liquida. La sintesi in fase solida è più semplice ed economica; la sintesi in fase liquida è più complessa ma produce un materiale più omogeneo e si distingue come metodo preferito per la LMFP ad alte prestazioni. Inoltre, la LMFP viene valutata anche mescolandola con catodi dotati di un profilo di tensione simile all'NMC (approccio blend); queste miscelazioni mirano a migliorare il profilo di sicurezza dell'NMC e sono oggetto di tentativi di unire i punti di forza dei due materiali in un unico elettrodo.

In quali veicoli viene utilizzata la LMFP?

Il segmento a cui punta la LMFP è chiaro: le auto elettriche di fascia media, in cui la densità energetica non è sufficiente per la LFP, mentre la NMC pesa troppo in termini di costi e sicurezza. Per le piattaforme a lunga autonomia - il segmento con un'autonomia obiettivo di 500-1.000 km - questa chimica è considerata un candidato naturale. Anche i mercati con climi freddi risultano in prima linea: si valuta che le prestazioni della LMFP a basse temperature siano migliori di quelle della LFP.

Anche i segnali dai produttori vanno in questa direzione. Il fondatore di BYD, Wang Chuanfu, aveva annunciato nel 2014 la LMFP come successore della LFP; CALB ha presentato nel 2022 una cella LMFP con una densità energetica di 180 Wh/kg a livello di pacco; Gotion ha invece svelato una batteria LMFP con un'autonomia obiettivo di 1.000 km e ha annunciato celle LMFP che raggiungono una densità energetica di livello NMC. Si prevede che queste celle entreranno principalmente nei modelli EV di fascia media in Cina. Oltre alla batteria, l'autonomia standard Model 3 continua a utilizzare celle LFP; ovvero la LMFP non ha ancora sostituito la LFP, ma si posiziona come un ulteriore strato che si apre verso il segmento superiore.

Quanto è pronto il fronte della fornitura?

Anche nella produzione dei materiali c'è movimento: i materiali catodici attivi LMFP di Integrals Power hanno superato la soglia dei 1.000 cicli nei test di QinetiQ; Mitra Chem ha avviato le spedizioni di campioni di materiale catodico commerciale ai clienti a livello globale. Al contrario, la valutazione sul fronte delle batterie industriali è più cauta: si sottolinea che la LMFP non è ancora una tecnologia senza compromessi, che sicurezza e affidabilità devono essere verificate prima dell'uso industriale, e tra i fornitori non si notano segni di fretta verso il mercato. Questa distanza tra i produttori cinesi che dichiarano oltre 4.000 cicli all'80% di DoD nelle celle commerciali e l'approccio che attende la verifica nelle applicazioni industriali riassume bene l'attuale livello di maturità della tecnologia.

La posizione della LMFP rispetto allo stato solido e allo ione-sodio

La LMFP entra non in uno spazio vuoto, ma in uno spazio competitivo. Sull'asse della densità energetica la posizione è chiara: le celle allo ione-sodio hanno raggiunto circa 175 Wh/kg; la LFP è intorno ai 205 Wh/kg, le chimiche al litio a base di nichel si attestano sui 255 Wh/kg. La LMFP, che può arrivare fino a 230 Wh/kg, è nettamente superiore allo ione-sodio in densità energetica. Tuttavia lo ione-sodio ha i suoi punti di forza: l'assenza di cobalto, l'abbondanza delle materie prime e le prestazioni al freddo. Quindi la LMFP gareggerà nel segmento medio, dove la densità energetica è sufficiente, mentre nel segmento inferiore, dove determinanti sono i costi e il freddo, gareggerà con lo ione-sodio.

Sul fronte dello stato solido il quadro è diverso. Geely ha confermato che completerà la produzione del primo pacco batteria interamente allo stato solido nel 2026; la tecnologia allo stato solido promette un'elevata densità energetica e una lunga durata. Si tratta di uno sviluppo che spingerà verso l'alto il limite superiore della LMFP - ma il costo e la scala produttiva dello stato solido determineranno quanto ridurranno il potenziale mercato della LMFP nei prossimi anni. Nel breve e medio termine, la LMFP svolge una funzione di tecnologia-ponte pragmatica grazie alla sua compatibilità con l'infrastruttura produttiva esistente: poiché la struttura olivina e la chimica al fosfato appartengono alla stessa famiglia della LFP, i produttori possono aumentare la densità energetica mantenendo in gran parte le linee di celle esistenti.

Valutazione: la LMFP è il prossimo passo?

Riassumiamo il quadro misurabile. La LMFP offre un aumento della densità energetica del %%10–20% e un incremento di tensione di ~0,5 V, preservando in gran parte i vantaggi della LFP in termini di sicurezza, durata ciclica e costi. Il fatto di evitare cobalto e metalli rari mantiene il rischio della catena di approvvigionamento basso rispetto alla NMC. Anche le proiezioni di mercato indicano una crescita: si prevede che il mercato globale dei catodi, comprendente LFP e LMFP insieme, passi da 15,1 miliardi di USD nel 2025 a 47,3 miliardi di USD nel 2035. (Attenzione: queste proiezioni variano a seconda della definizione di catodo; alcuni rapporti misurano separatamente i livelli di cella e catodo e contengono quindi cifre molto più aggressive.)

D'altra parte gli ostacoli tecnici sono ancora sul tavolo. La bassa conduttività, la dissoluzione del manganese e il degrado della cinetica degli elettrodi sono problemi che ogni nuova generazione di LMFP deve risolvere nuovamente. La lettura realistica attuale è la seguente: La LMFP non è un passo che sostituisce la LFP, ma un passo evolutivo che la estende verso il segmento superiore - ci si aspetta che compaia sempre più spesso nei veicoli elettrici di gamma media a lunga autonomia nei prossimi anni, ma per affermarsi su scala industriale è necessario completare le verifiche di sicurezza e durata.

Fonti

• Che cos'è la LMFP? | Batteria LMFP
• Batterie al litio manganese ferro fosfato (LMFP)
• Chimica LMFP: vantaggi, limiti e differenze rispetto a LFP
• Fosfato di litio manganese ferro ad alta densità energetica
• Materiali al fosfato di litio manganese ferro
• 5 sorprendenti approfondimenti su LMFP vs LFP
• Progettazione del materiale catodico LMFP
• Materiale LMFP: densità energetica, conducibilità e test
• LMFP vs LFP
• Cresce lo slancio delle batterie agli ioni di sodio, ma restano le sfide
• Dimensioni e quote del mercato dei catodi LFP e LMFP 2026-2035
• Mercato delle batterie LMFP
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• Spedizioni di campioni di catodo LMFP commerciale di Mitra Chem
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