Mobilità elettrica e batterie: quali sono le problematiche connesse a questa nuova era del trasporto?

 

La ricerca di un trasporto più sostenibile sta spingendo tutti i costruttori verso l’elettrificazione dei veicoli destinati al trasporto su gomma di persone e merci. Si tratta di una rivoluzione globale rispetto alle tecnologie utilizzate fino a qualche anno fa.

I motori termici, che stanno resistendo, probabilmente, nel giro di non molti anni, dovranno cedere il passo alla nuova trazione elettrica. Quest’ultima sta richiedendo ingenti investimenti sul fronte delle infrastrutture, ma anche da parte dei costruttori. All’interno della filiera dedicata alla mobilità elettrica, si innesta il grosso problema delle batterie, sia sul fronte della loro costruzione, sia su quello del recupero a fine vita.

Ecco lo stato dell’arte al momento.

I pacchi batterie e i sistemi di ricarica

I veicoli elettrici, analizzati da un punto di vista macroscopico, sono macchine che basano il loro funzionamento su tre pilastri fondamentali: un pacco batterie, uno o più motori elettrici e un sistema elettronico sofisticato per la ricarica delle batterie stesse. Tralasciando in questa sede l’analisi tecnica dei motori elettrici, ha molto più senso concentrarsi sulle tecnologie dei pacchi batteria e su sistemi necessari alla loro ricarica.

Sebbene la strada che ha portato all’introduzione dei veicoli elettrici abbia conosciuto una prima fase in cui sono state impiegate le batterie convenzionali al piombo, gli ingegneri sapevano molto bene che questo tipo di soluzione non avrebbe avuto futuro. 
In particolare, le caratteristiche tecniche che non si sarebbero mai sposate con l’idea di veicolo elettrico sarebbero state certamente l’ingombro e la massa delle batterie convenzionali. Fu così che l’attenzione venne spostata sulle applicazioni con batterie al nickel, pur sapendo che tutto il percorso evolutivo sarebbe infine approdato alle attuali batterie agli ioni di litio. Ed è su queste che concentriamo ora la nostra attenzione.

Anche in questo caso, le batterie agli ioni di litio sono costituite da una configurazione concettualmente nota: ogni pacco, infatti, consiste di singole celle dotate di un polo positivo, il catodo, e un polo negativo, l’anodo. Le celle, a loro volta, sono divise per mezzo di un separatore e sono immerse in un elettrolita. 
Esistono numerosi tipi di batterie al litio, ma quelle più diffuse presentano normalmente un catodo costituito da un ossido di litio, nichel, manganese e cobalto. Per l’anodo, invece, la soluzione più accreditata prevede l’utilizzo di grafite.
 
Durante l’erogazione dell’energia necessaria, il processo elettrochimico in gioco si basa sul passaggio degli ioni di litio, attraverso l’elettrolita, dall’anodo al catodo. Se invece la batteria viene sottoposta a ricarica, il flusso degli ioni di litio si inverte. 
Nel mondo delle auto elettriche, i concetti, ben chiari un tempo quando si parlava di motori termici, devono essere oggi chiariti nuovamente, per evitare di commettere errori grossolani. I due fattori principali, ovvero la densità di energia e la densità di potenza, devono essere interpretati con molta attenzione.

La prima, infatti, non è altro che la quantità di energia che una batteria è in grado di accumulare, mentre la potenza è la velocità con cui una batteria è in grado di produrre o ricevere l’energia. 
Questo è anche il motivo per cui la capacità di una batteria viene espressa in kWh; più è grande questo valore e maggiore sarà l’autonomia del veicolo, perché significherà che la batteria sarà in grado di accumulare al suo interno una grande quantità di energia. 
L’utilizzo di batterie agli ioni di litio ha conosciuto grande popolarità per motivi tecnici inequivocabili: sono batterie che offrono una buona densità di energia, vantando dimensioni relativamente contenute, possono essere caricate velocemente e risentono di minori effetti a causa delle temperature più basse.

Come diciamo sempre, però, la tecnologia offre spesso un rovescio della medaglia. In questo caso, dobbiamo ricordare che le batterie agli ioni di litio sono comunque ancora molto costose, rappresentando, ad oggi, ancora il maggior costo del veicolo, e nel momento in cui vengono impiegate all’interno di un veicolo devono sempre essere protette, soprattutto in caso di impatto. 
Richiedono, inoltre, sistemi particolarmente sofisticati per la loro gestione termica, perché la produzione di calore durante la loro operatività è sempre molto elevata, tanto che sono previsti circuiti di raffreddamento appositi. Si tenga conto, infatti, che la gestione della temperatura di una batteria agli ioni di litio ha due implicazioni importantissime: la prima riguarda la sicurezza. Una batterie al litio surriscaldata può trasformarsi in un grande pericolo.

La seconda interessa la pura operatività: un pacco batterie agli ioni di litio che si trova a lavorare al di fuori del campo termico previsto cala di efficienza, compromettendo seriamente le prestazioni del veicolo.
Va ricordato, infine, l’annoso problema relativo al loro recupero a fine vita, visto che il litio e il cobalto in essa presenti rappresentano un grosso problema ambientale.
Per quanto riguarda i sistemi di ricarica, invece, i costruttori stanno lavorando fianco a fianco con le aziende che si occupano di sviluppare e integrare, nei diversi paesi, le stazioni di rifornimento. L’ansia da autonomia rimane tuttora un deterrente e la paura di rimanere a piedi, per carica esaurita, sta rendendo complicato il diffondersi dei veicoli elettrici.
 
Le batterie di bordo possono essere ricaricate sia con metodi più tradizionali, come per esempio le colonnine di ricarica, sia recuperando le energie che il veicolo sprecherebbe durante la marcia quotidiana. Il recupero dell’energia frenante ne rappresenta un esempio. In caso di decelerazione, quello che stava agendo come motore elettrico viene fatto funzionare come generatore. Così facendo, vengono ottenuti i due effetti voluti: rallentamento del veicolo che si trova a dover vincere la resistenza del generatore e ricarica delle batterie, grazie all’energia accumulata dal veicolo in fase di accelerazione.

È ovvio, non si tratta di un moto perpetuo, cioè non è affatto possibile far ritornare alle batterie tutta l’energia che è fluita verso il motore elettrico, ma in questo modo si recupera una quota parte di energia che andrebbe comunque persa.

Cosa ci riserverà il futuro delle batterie?

Molto probabilmente negli anni a venire, almeno quelli più prossimi, non vedremo l’affermarsi di una nuova tecnologia, ma il perfezionamento di quella esistente.
I costruttori di batterie agli ioni di litio stanno impegnando ingenti risorse umane ed economiche per incrementare i due parametri di cui abbiamo parlato, ovvero la densità di energia e di potenza.

Si sta andando verso una diminuzione delle dimensioni, a parità di capacità di immagazzinare energia. Questo percorso sarà fondamentale per ridurre i consumi dovuti alla massa del veicolo e, allo stesso tempo, per aumentare l’autonomia. La velocità di ricarica sarà fondamentale per rendere i veicoli elettrici fruibili al pari di quelli con motore termico. 

Se invece guardiamo a un orizzonte più lontano, si intravede lo sviluppo delle batterie a stato solido, batterie che non necessitano più di un elettrolita per funzionare e che potranno immagazzinare quantità di energia molto più elevate. Questo sarà un passo importante anche sul fronte della sicurezza, anche se si tratta di una tecnologia che avrà bisogno ancora di anni per potersi considerare matura. 

La produzione di una batterie agli ioni di litio

Come anticipato, una classica batteria agli ioni di litio si compone di un involucro esterno, di solito in lega di alluminio, di moduli con le celle agli ioni di litio e dell’elettronica di potenza per la gestione delle batterie stesse.
 
I moduli arrivano nelle fabbriche di assemblaggio dei veicoli con una carica residua, generalmente non molto alta. Questi moduli vengono dotati di una pellicola termoconduttrice capace di trasferire facilmente l’energia termica in gioco. Tra i moduli, poi, viene inserito un sistema di raffreddamento all’interno dei quali viene fatto scorrere il liquido refrigerante. Il tutto viene racchiuso nel contenitore di alluminio che viene sigillato con guarnizioni e colle speciali, anche queste in grado di trasferire energia termica.
 
La centralina che governa il sistema elettronico di gestione delle batterie viene normalmente alloggiata in una zona riparata dove viene protetta, tra l’altro, da possibili sovratensioni. 

La ventilazione e il raffreddamento delle batterie

Le batterie dei veicoli elettrici rappresentano una tecnologia molto sofisticata che richiede protezione. Normalmente, sono componenti posizionati nella parte inferiore del veicolo. Durante l’esercizio del veicolo, acqua, polvere, detriti raccolti lungo la sede stradale e molti altri elementi potenzialmente dannosi non devono poter raggiungere in alcun modo le singole celle che costituiscono la batteria.
 
Basti pensare, per esempio, ai passaggi del veicolo lungo le strade bagnate durante i giorni di pioggia o sulle superfici innevate nei luoghi di montagna. Anche gli autolavaggi possono creare problemi se i pacchi batterie non vengono adeguatamente isolati. La stessa variazione di altitudine può creare grossi problemi se non fosse prevista una corretta ventilazione. Le variazioni di pressione possono portare a deformazioni degli elementi chiusi all’interno dell’involucro.

Ma i più grandi pericoli derivanti da un controllo inappropriato delle batterie arrivano dalle variazioni di temperature e pressione. Proprio per questo motivo sono previsti sempre sistemi di ventilazione e raffreddamento. Per la ventilazione sono state messe a punto membrane in politetrafluoroetilene (PTFE).

Questo materiale è in grado di far traspirare le batterie, consentendo l’uscita dei gas e l’ingresso di aria fresca, senza che altri elementi liquidi e solidi possano fare altrettanto. Batterie agli ioni di litio che si deformano, che si surriscaldano per errata gestione del processo di ricarica, che vengono compromesse per cause esterne di qualsiasi tipo, possono rilasciare gas ed energia termica che a sua volta possono portare al deterioramento di altre celle, raggiungendo condizioni non più gestibili dalle membrane in PTFE. Quando le membrane non sono più in grado di gestire la quantità di gas prodotti, l’effetto immediato potrebbe essere la rottura delle membrane e anche dell’involucro, con conseguenze gravi per la sicurezza del veicolo e degli occupanti.

Il riciclo delle batterie

I materiali che vengono smaltiti quando una batteria agli ioni di litio diventa inutilizzabile sono numerosi: litio, nichel, manganese, cobalto, alluminio, rame e plastiche. Questo è il motivo per cui un tasso di riciclo elevato può fare la differenza in termini di rispetto ambientale.

Spesso, le batterie che vengono recuperate dal mondo automotive possono trovare impiego in altri ambiti. 
Si tenga anche conto che, secondo le stime dei costruttori, i grandi volumi da recuperare saranno raggiunti non prima della fine di questo decennio. Questo fatto è importante, perché dovrebbe permettere di organizzare i sistemi di recupero con un certo anticipo.
 
Tra i sistemi di riciclo messi in campo, è interessante per esempio quello sviluppato da Skoda nel proprio stabilimento di Salzgitter in Germania. Si tratta di un’operazione di riciclo che non fa ricorso alla fusione in altoforno, con tutte le conseguenze del caso, ma che prevede lo smantellamento completo dei sistemi batteria usati. I singoli componenti vengono ridotti in granulati in un apposito trituratore e quindi asciugati. I prodotti ottenuti sono alluminio, rame e plastiche di vario tipo, ma soprattutto la pregiata black powder (polvere nera) che contiene le materie prime fondamentali per la realizzazione delle batterie, ovvero litio, nichel, manganese, cobalto e grafite. Aziende esterne provvederanno quindi a separare mediante appositi processi idrometallurgici i singoli componenti.