Quali batterie per i veicoli elettrici

La necessità di ridurre l’impatto sul clima, riducendo le emissioni di gas effetto serra, come l’anidride carbonica (CO2), ha comportato da parte delle autorità pubbliche, Ministeri dei Trasporti, una fortissima spinta verso lo sviluppo e la commercializzazione di veicoli a basso o nullo impatto ambientale, in particolare veicoli elettrici o ibridi. Questo processo, in Europa, si sta ulteriormente concretizzando con il bando alla vendita di vetture a benzina, diesel o gas, nel 2035 che ha subito uno stop ma resta sul tavolo della Commissione europea.

L’energia elettrica è un vettore di energia estremamente flessibile che risponde molto bene al problema: non produce emissioni laddove viene consumata. Non produce emissioni anche nel suo trasporto e può essere prodotta da fonti sostenibili: solare, idroelettrico, eolico, ecc. È quindi pienamente comprensibile la sua adozione per tutte le applicazioni “fisse”, laddove può essere facilmente trasportata attraverso cavi elettrici e ivi consumata. Diverso è il caso di applicazioni mobili, dove non è possibile restare collegati ad una linea elettrica: in questo caso occorre “immagazzinare” l’energia elettrica sul dispositivo mobile quando è possibile collegarsi alla rete elettrica, per poi utilizzarla in mobilità quando serve. Occorrono quindi delle batterie. Questo è comune per tutti i nostri dispositivi portatili, smartphone o PC portatili. Lo stesso accade per i veicoli elettrici. In questo caso però l’energia necessaria è enormemente superiore.

L’energia elettrica

Prima di tutto occorre fare chiarezza sui termini fisici. Una linea elettrica, come anche una batteria, è caratterizzata da una “tensione elettrica”, espressa in volt. Le linee di casa sono a 220 Volt ad esempio. Per alimentare un dispositivo una linea elettrica fornisce una corrente (espressa in Ampere): il prodotto della tensione per la corrente esprime la potenza che viene erogata dalla linea e alimenta il dispositivo, che quindi “assorbe” quella potenza. La potenza è espressa in watt: un watt di potenza si ottiene, ad esempio, con una corrente di un ampere su una linea ad 1 volt di tensione.

Potenza (Watt) = Tensione (Volt) * Corrente (A)

Quindi se abbiamo un asciugacapelli che assorbe una potenza di 1000 Watt sulla linea di casa, sarà alimentato con una corrente di circa 5 Ampere. L’energia elettrica si calcola moltiplicando la potenza per il tempo durante il quale viene erogata. Si esprime, tipicamente, in Wh (Wattora). Se usiamo il nostro asciugacapelli da 1000W per un’ora, avrà quindi consumato una energia pari a 1000 Wh, cioè un “chilowattora”, che è proprio quello che si trova sulla bolletta elettrica e che paghiamo.

Energia Elettrica (Wh, Wattora)= Potenza (Watt) * Tempo (Ore)

La capacità di immagazzinare energia da parte di una batteria si può esprimere analogamente in Wh o KWh. Però è comune indicare la capacità delle batterie in Amperora (Ah). Un amperora è una corrente di un ampere fornita dalla batteria per un’ora. Questo perché una batteria non è in grado di fornire una tensione sempre costante, man mano che si scarica la sua tensione diminuisce. Raggiunto un certo valore la batteria si considera completamente scarica. Quindi la capacità viene espressa negli Amperora che la batteria riesce a fornire (partendo da una carica completa) prima che la tensione arrivi al valore di soglia. Indicativamente l’energia può comunque essere calcolata moltiplicando la capacità in amperora per la tensione nominale della batteria.

Ad esempio, le normali batterie delle auto, quelle che servono per avviare il veicolo, hanno capacità 50-100 Ah, in funzione delle dimensioni del veicolo/motore.  Quindi una energia tra i 600 e i 1200 Wh, la tensione nominale è 12 Volt. I powerbank che si utilizzano per ricaricare i telefonini hanno capacità dell’ordine delle decine di migliaia  milliamperora, cioè decine di Amperora. Però la tensione di queste batterie è tipicamente intorno ai 3.8 V, quindi un powerbank da 10.000 mAh immagazzina circa 38 Wh.

Spesso si fa confusione, quando si parla di veicoli elettrici e batterie, tra la potenza (espressa in W o KW) e la capacità (espressa in KWh). Facendo un paragone con i veicoli tradizionali la capacità delle batterie equivale alle dimensioni del serbatoio di benzina, più grande è e maggiore è l’autonomia prima di doversi fermare a fare rifornimento (o ricaricarsi nel caso del veicolo elettrico). Per la potenza invece un kilowatt equivale a 1,341 CV, cavalli, ed esprime la capacità di avere prestazioni migliori, ad esempio accelerazioni più elevate.

Come funziona una batteria

La batteria, per qualsiasi utilizzo, è basata su una reazione chimica di ossidoriduzione: in pratica questa reazione è lo scambio di elettroni che si genera per unione tra due specie chimiche che, guidata nel modo corretto, genera una corrente elettrica, cioè un flusso di elettroni tra due poli, uno che li cede per ossidazione chiamato anodo, e uno che li riceve per riduzione chiamato catodo. Il movimento di elettroni avviene all’interno di una sostanza chiamata elettrolita che può essere sia liquida che solida. Questo flusso di elettroni è reversibile, se si applica una tensione superiore a quella che genera la batteria, gli elettroni si muovono in senso opposto e la batteria si ricarica.

Secondo i materiali che vengono utilizzati per l’anodo, il catodo e l’elettrolita si realizzano batterie molto diverse in termini di caratteristiche.

Quali sono le caratteristiche principali di una batteria

Le diverse tecnologie disponibili per realizzare le batterie si distinguono secondo i seguenti aspetti:       

• Capacità specifica, espressa in Wh al Kg. Una maggiore capacità permette di immagazzinare più energia a parità di peso e/o volume.
• Potenza specifica
• Vita o durata, numero di cariche/scariche che possono essere eseguite prima che la capacità scenda troppo (tipicamente più del 20-30%)
• Costo
• Prestazioni, ad esempio la capacità di fornire la massima potenza per tempi lunghi, questo aspetto è tipicamente legato alla gestione termica della batteria.
• Sicurezza

Il confronto con veicoli tradizionali, benzina, diesel o a gas, è piuttosto negativo su molti aspetti.

Autonomia. dipende dal consumo per chilometro e dalla capacità della batteria. Il consumo dipende ovviamente dal tipo di vettura, oltre che dal comportamento di guida e alle condizioni stradali. Riferendosi ai dati dei costruttori un veicolo elettrico percorre un chilometro consumando 150-200 Wattora. Per avere una autonomia di 100 Km occorre quindi una batteria di capacità dai 15 ai 20 KWh. Per arrivare a percorrenze simili a quelle delle vetture tradizionali, 500 Km, occorrono quindi dai 75 ai 100 Kwh. Con pesi e volumi decisamente più importanti per la batteria: circa 500 chili e 350 litri. Dieci volte l’equivalente serbatoio di benzina/diesel.

Tempo di ricarica. Con il contatore di casa, immaginando di poter impegnare 3 Kw per caricare la vettura, occorrono quindi dalle 25 alle 30 ore per una ricarica completa di una batteria da 75/100 KWh. Per ricaricare in 10 minuti occorre una “presa” in grado di fornire 500 KW di potenza. Queste colonnine “fast charge” esistono ma sono ancora molto poco diffuse. E possono danneggiare, se usate spesso, le batterie. In confronto le pompe di benzina permettono di riempire il serbatoio in un minuto o poco più.

Prestazioni. Su questo aspetto i veicoli elettrici sono superiori agli equivalenti motori tradizionali. Forniscono la massima coppia anche a basse velocità, possono fare a meno del cambio.

Costo. Le batterie dei veicoli elettrici hanno ancora un costo piuttosto elevato, diverse migliaia di euro.Oltre al costo iniziale più elevato, occorre poi considerare la loro durata. Una batteria viene tipicamente garantita per otto anni o 160.000 chilometri. Poi occorre sostituirle. Questo costo non si deve invece sostenere nel caso di una vettura a benzina. Dal punto di vista invece della manutenzione i veicoli elettrici sono migliori, il motore elettrico non ha praticamente bisogno di manutenzione.

Dal punto di vista della sicurezza i veicoli elettrici sono oggetto di maggiori precauzioni, per la presenza di elevate tensioni. In caso di incidente esiste anche per il veicolo elettrico il rischio di incendio od esplosioni, nel caso il pacco batteria fosse gravemente danneggiato: il litio si infiamma a contatto dell’aria e questo può portare ad incendi piuttosto violenti ed estesi.

L’incendio della batteria può poi avvenire anche dopo diverse ore dall’incidente, ad esempio durante il trasporto verso l’officina di riparazione. Un veicolo elettrico gravemente incidentato va quindi trattato con molte precauzioni.  Se ci si trova nei pressi di un veicolo elettrico coinvolto in un incidente è prudente stare piuttosto lontani da esso.

Come è fatta una batteria

Le batterie per le auto sono costruite con un processo identico a quello utilizzato per produrre le batterie che utilizziamo tutti i giorni nei nostri dispositivi.

Particolari impasti vengono prodotti e applicati su lamine molto sottili di metallo conduttivo (rame per l’anodo e alluminio per il catodo). Si ottengono dei fogli che vengono tagliati laser e poi sovrapposti (anodo –separatore-catodo-separatore – anodo-,  eccetera) per costituire una “cella”. Gli spazi tra anodo e catodo vengono poi riempiti con l’elettrolita e tutti i fogli anodo vengono saldati assieme per formare il polo positivo, analogamente per il polo negativo con i catodi. La cella viene poi portata nella sua forma finale che può essere a sacchetto (pouch) come negli smartphone, oppure in un cilindro, come nelle batterie stilo. Un certo numero di celle viene poi a formare un modulo e diversi moduli uniti tra loro per formare l’intero pacco batterie di un veicolo. In funzione dei materiali utilizzati per costruire l’anodo ed il catodo, la singola cella può avere tensioni nominali diverse, ma sempre dell’ordine di alcuni (3-4) volt. Per ottenere tensioni di centinaia di volt le celle sono collegate in serie tra loro.

Le singole celle, anche se prodotte in processi molto sofisticati e precisi, non possono essere tutte uguali.
Diventa quindi importante e necessario dotare le batterie di complessi sistemi di gestione delle singole celle e moduli, Battery Management System (BMS). Questo sistema è fondamentale e controlla il funzionamento delle batterie sia in fase di carica che di scarica, bilanciando il carico sulle varie celle in modo da garantire un loro comportamento omogeneo ed uniforme. I BMS più performanti sono dotati di algoritmi di intelligenza artificiale per “imparare” come si comportano le singole celle ed adattarsi a tale comportamento.

Tipi di batteria

Per superare i problemi delle batterie, la ricerca sta esplorando moltissime diverse tecnologie per ottenere maggiori capacità specifiche, tempi di ricarica inferiori, minor peso e volume, e così via.

Sono quindi molte le soluzioni adottate, basate quasi tutte sugli ioni di litio, ma che usano materiali diversi per realizzare il catodo e l’anodo. Tra i vari materiali usati troviamo, oltre ovviamente al litio, il nichel, il cobalto, il manganese, il fosfato di ferro, il titanato di litio.

Molti di questi materiali sono scarsi in natura, o si trovano solo in poche aree del mondo. Sono diventati quindi strategici per lo sviluppo della mobilità elettrica a batterie, e uno dei motivi dell’elevato costo delle batterie stesse. La ricerca è quindi fortemente orientata nel trovare soluzioni alternative a queste sostanze. Il sodio, per esempio, sembra essere molto interessante come sostituto del litio. Come atomo il sodio si comporta in modo simile, ma si trova in natura in enormi quantità abbinato al cloro, nel cloruro di sodio cioè il normalissimo sale.

Quando le batterie ricaricabili rapidamente?

Gli investimenti nella ricerca di batterie che superino gli attuali limiti sono importanti. La transizione verso una mobilità sostenibile, che quindi non abbia un impatto sui cambiamenti climatici cioè non emetta CO2, ha al momento solo una alternativa all’elettrificazione, cioè l’idrogeno. Nell’attuale situazione tecnologica l’idrogeno è molto complesso da produrre e distribuire.  Si ritiene quindi che la sua applicazione sarà principalmente nei veicoli commerciali, dove autonomia e tempi di ricarica sono aspetti estremamente importanti.

Per gli autoveicoli le batterie costituiscono già ora una alternativa interessante al motore a benzina o diesel. E quindi, a meno di sviluppi tecnologici rivoluzionari, le batterie saranno fondamentali per attuare il piano Europeo che prevede di bandire, dal 2035, la vendita di veicoli che emettono CO2. Il mercato dei veicoli elettrici, che attualmente copre solo 14% dei veicoli venduti in Europa, il 3,7% in Italia, avrà quindi una crescita molto importante nel prossimo decennio. Molte fabbriche di batterie, Gigafactory, sono in costruzione, come quella a Termoli di Stellantis, per poter fornire la quantità di batterie necessarie.

Le prestazioni delle batterie sono, e saranno ancora di più in futuro, un fattore competitivo molto importante per i produttori di veicoli. Ma lo sviluppo di una nuova tecnologia richiede tempo ed investimenti. Non sarà quindi un processo veloce, ma sicuramente in futuro potremmo disporre di soluzioni per le batterie con prestazioni decisamente superiori, che permetteranno di risolvere, almeno in parte, i fattori che al momento limitano la diffusione della mobilità elettrica.

Ma, accanto agli sforzi della ricerca e dei produttori di veicoli, sarà fondamentale la disponibilità di una infrastruttura estesa e capillare per la ricarica dei veicoli stessi, per evitare che, in una mobilità prevalentemente elettrica, i limiti delle batterie si traducano in importanti disagi per la collettività.