Approfondimenti | 13 Giugno 2018 | Autore: Giorgio Spolverini

Focus batterie: la scossa che serve per muoversi

Esistono batterie che durano più di altre, ma non sempre la migliore è la più conveniente per quella precisa applicazione automobilistica. La tecnologia, nel campo dei “serbatoi” elettrici fa passi da gigante. Toyota per esempio, sta addirittura sperimentando il magnesio… Oggi però, a farla da padrone, rimane ancora il litio.
 

Una cosa è certa: la nostra quotidianità dipenderà sempre di più da una o più batterie. Non servono più solo per avviare l’auto o il motorino, ma anche per fare una telefonata, per lavorare col computer, per farsi una (più) comoda sgambata in bicicletta il sabato o la domenica e tanto tanto altro ancora. Restando in ambito veicolare, l’auto alimentata a energia elettrica c’è sempre stata, fin dalla sua creazione.

Solo che allora la batteria non spiccava di certo per durata. Oggi neanche, a dir la verità, però i progressi ci sono stati eccome.
Quando si parla di stato dell’arte di accumulatori elettrici, all’alba del 2020 ci si riferisce sempre al litio. Sulla tecnologia di questo metallo alcalino sono basati tutti gli studi più recenti volti a incrementare capacità e densità energetica delle batterie, elementi fondamentali per l’affermazione della trazione elettrica. Anche se ultimamente, un big come Toyota sta sperimentando altri tipi di “serbatoi” elettrici…
 

Toyota: all’avanguardia nella ricerca

In effetti in chimica, oltre al litio, esiste anche un altro elemento più disponibile in natura e a minor costo: il magnesio. Utilizzandolo per le batterie, la densità energetica si rivela fino a 12 volte superiore e presenta una maggiore resistenza ai cicli di carica-scarica, con tempi ridotti per il raggiungimento della massima efficienza.

E allora perché nessuno ha ancora costruito questo tipo di batterie? Semplice: perché in pratica non è disponibile un elettrolita che faccia da media ionico per il magnesio. In altre parole, la batteria non funzionerebbe. Finora. Già, perché il centro di ricerca Toyota, TRINA, in USA, sembra stia trovando la soluzione per bypassare il problema.

Le ultimissime tecnologie di ricerca al riguardo si riferiscono alla pubblicazione di uno studio sullo sviluppo di un elettrolita basato su un sale di magnesio legato a un composto di boro e carbonio chiamato monocarborane, un cluster sviluppato per le fuel cell ma che si presta all’uso nelle batterie a magnesio. Si tratta di un grande passo avanti, che potrebbe avvicinare ancor di più il time to market dell’auto elettrica.
 

Da non sottovalutare…

 
Prima di percorrere una panoramica sulle tecnologie disponibili, è importante sapere le caratteristiche che contraddistinguono i sistemi di accumulo dell’energia elettrica a bordo dei veicoli. L’efficienza è una misura importante perché permette di capire quanta energia sia effettivamente restituita dalla batteria dopo che la sua carica. La maggior parte delle batterie è soddisfacente in tal senso, con rese di oltre il 70%, alcune migliori naturalmente.

La densità di energia misura quanta energia può accumulare la batteria per unità di massa. Questo parametro è importantissimo su un veicolo che percorre chilometri e rappresenta uno dei limiti principali delle attuali batterie, specie quelle al piombo. La densità volumetrica di energia non sarà altrettanto importante rispetto alla densità per unità di massa, ma di fatto le batterie di un veicolo non possono essere troppo voluminose e ingombranti. Tutte le batterie hanno poi una durata di vita che si degrada con l’utilizzo.

Il numero di cicli ammissibile ne determina la vita media e ciò influenza sia i costi, sia i problemi legati allo smaltimento. Per un veicolo ibrido è molto importante il tempo di ricarica: meno tempo ci vuole per eseguire l’operazione, più diventa pratico l’uso di quel mezzo. L’autoscarica, ovvero la tendenza delle batterie a perdere un po’ di carica se lasciate inattive, non è un problema vero e proprio, ma può diventarlo se il veicolo viene lasciato fermo per molti mesi. Infine il costo: questo dipende sia dai materiali utilizzati, sia dalla vita media della batteria. Naturale che una batteria costosa è accettabile se dura a lungo.
 

Le batterie al piombo

 
Ci accompagna nel quotidiano della mobilità da più di un secolo, ma la batteria al piombo non è certamente la soluzione migliore per il trasporto elettrico. Il piombo infatti è uno degli elementi più densi che esistono e il risultato è che le batterie al piombo sono notoriamente pesanti. Altri inconvenienti riguardano questo genere di batterie: sono sensibili al caldo e al freddo, contengono acido solforico (corrosivo e pericoloso), richiedono parecchie ore per la ricarica.

Forse il problema principale resta però la durata limitata: non amano la scarica profonda, ovvero sfruttare tutta l’energia contenuta in esse per poi essere ricaricate. Mediamente una batteria al piombo resiste per circa 300 cicli di scarica profonda prima che diventi inutilizzabile. In questa categoria rientrano le batterie al silicone, sempre a base piombo. Vengono chiamate così perché nella loro composizione c’è una percentuale di gel di silicio e durano leggermente di più.
 

Le batterie al Nichel-cadmio (Ni-Cd)

 
Si tratta di uno dei primi tentativi di superare i limiti delle batterie al piombo per veicoli elettrici. In effetti, queste batterie presentano una densità di energia maggiore di quella delle batterie al piombo, si ricaricano più velocemente e hanno una durata di vita che può arrivare a 800-1.000 cicli.

Le batterie Ni-Cd però hanno principalmente due controindicazioni: il cadmio è tossico, quindi esistono problemi con la gestione delle batterie usate; il secondo è il cosiddetto “effetto memoria”, che fa sì che la batteria si ricordi di quanto è stata scaricata nei cicli precedenti e si genera una forte caduta di voltaggio proprio in quel punto. Queste batterie di fatto non si usano quasi più, nonostante alcune correnti di pensiero che le difendono.
 

Le batterie al Nichel-metallo idruro (Ni-MH)

 
Sono gli accumulatori che hanno sostituito quelli al Ni-Cd e sono noti soprattutto per aver rappresentato la base di sviluppo dei dispositivi elettronici portatili fino a non molto tempo fa. La densità energetica di queste batterie è superiore di circa una volta e mezzo/due rispetto al Ni-Cd.

Si caricano rapidamente e non si esauriscono prima di 1.000 e più cicli. Gli inconvenienti, neanche particolarmente gravi, consistono nell’autoscarica e in una certa sensibilità alle alte temperature. Il principale ostacolo al loro impiego nella mobilità è rappresentato dal costo elevato, per via di certi materiali “nobili” contenuti.
 

Le batterie Sodio-cloruro di nichel

 
Le cosiddette batterie “zebra” sono di origine militare e le si usano soprattutto nei sommergibili. Sono batterie eccellenti, leggere, dalla lunga durata, veloce ricarica, robuste ma… il loro problema sta nel fatto che funzionano solo a elevate temperature, ovvero intorno a 300°C.

Se questo non è un problema per un sommergibile, lo diventa per una normale auto. Sono ancora molto costose, però potrebbero alla lunga rivelarsi una soluzione per il trasporto pesante e per mezzi pubblici o veicoli che rimangono a lungo inutilizzati.
 

Le batterie Piombo-Carbonio

 
Sono le batterie utilizzate per i veicoli micro-ibridi e per questo devono presentare una buona caratteristica dinamica di carica e una predisposizione per i cicli Stop&Start. Inoltre, quando l’unità endotermica viene spenta, le batterie devono fornire la potenza necessaria a tutte le funzioni della vettura. Le normali batterie al piombo, anche quelle più avanzate, non sono la soluzione ottimale per lo stoccaggio dell’energia nei veicoli micro-ibridi a causa della loro scarsa efficienza nei cicli Stop&Start e nella dinamica di carica.

La ricerca ha sviluppato una nuova tecnologia basata sul carbonio (PbC) che si presta all’impiego su veicoli ibridi e presenta il vantaggio di riuscire a soddisfare carichi delle funzioni accessorie dei veicoli. Il ruolo delle normali batterie al piombo è quello di provvedere all’avviamento del motore, all’illuminazione e all’iniezione di carburante. La base della batteria PbC è una combinazione tra un elettrodo positivo di una convenzionale batteria al piombo e un super capacitore con carbonio attivato come elettrodo negativo. Nei test eseguiti si riscontrano velocità di ricarica da 5 a 10 volte superiori dopo un periodo di funzionamento del veicolo compreso tra 2 e 9 mesi.
 

Le batterie al litio

 
Queste batterie usano il metallo più leggero che esista, il litio. Il tipo più comune è quello chiamato “litio-ioni”, dove lo stesso ione litio si muove da due elettrodi diversi. Attualmente le litio-ioni sono le batterie con la più alta densità di energia esistenti, si ricaricano alla svelta e durano a lungo. Gli unici inconvenienti sono il costo elevato e la necessità di mantenere condizioni di temperatura controllate durante il funzionamento, altrimenti potrebbero anche esplodere.

La tecnologia delle batterie aglio ioni di litio e l’applicazione su veicoli ibridi, plug-in ed elettrici puri sta maturando e gioca un ruolo attualmente molto importante per la diffusione di questi veicoli. I veicoli Tesla ne sono la dimostrazione più evidente. A valori molto bassi di temperatura, la potenza fornita si riduce, mentre a valori alti di temperatura le batterie agli ioni di litio riducono il proprio periodo di vita utile.

Questo secondo aspetto è molto importante nel settore dei veicoli ibridi dove il cliente si aspetta una durata della vita utile delle batterie di una decina d’anni e durante tale periodo si dovranno sostenere anche milioni di cicli di carica/scarica.
 

And the winner is…

 
Anche se la tecnologia al litio risulta la più performante, non esiste una batteria migliore in assoluto. O meglio: la batteria al litio, costosa, si rivela indispensabile per veicoli ibridi ed elettrici; la batteria al Piombo-Carbonio è ideale per applicazioni microibride, ovvero auto dotate di sistema Stop&Start; le batterie al piombo possono continuare a essere installate su auto senza troppi carichi elettronici, compiere regolarmente il proprio lavoro e funzionare per anni.
 

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Tags: batteria

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