www.tecnicafuturo.it support@tecnicafuturo.it LE BATTERIE DEL FUTURO DOVRANNO ESSERE PIU LEGGERE, PIU PICCOLE E A MAGGIORE DENSITA DI ENERGIA. AL MOMENTO, PERO, LA SITUAZIONE E LA SEGUENTE Presente e futuro delle batterie E ovvio pensare a una batteria moderna a elevata densità di energia, ovvero capace, a parità di dimensioni, di fornire per lungo tempo un'energia sufficiente ad alimentare gli utilizzatori, siano essi semplici ausiliari, siano essi elementi fondamentali del motore, come, per esempio, i propulsori elettrici degli attuali veicoli ibridi. In realtà, la questione è tutt'altro che risolta e la tipologia di batterie oggi in commercio dimostra che la via maestra non è ancora stata trovata. BREVI NOTE TECNICHE SULLE BATTERIE Le batterie sono degli accumulatori di energia elettrica e pertanto si definisce capacità di una batteria la quantità di energia elettrica che la stessa può erogare una volta che è stata completamente caricata. Qui di seguito esprimeremo la capacità con l'unità di misura Wh/kg, ma potrebbe anche capitarvi di trovare l'energia espressa per unità di volume, quindi Wh/m^3. Le batterie, inoltre, vengono definite e identificate anche attraverso un altro parametro: la capacità nominale, che di solito è un valore di corrente per un tempo. 1
Una batteria che può erogare 100 Ah (ampere-ora) è in grado di fornire molta più corrente se il tempo di impiego si riduce sensibilmente. Per definizione, la capacità è la quantità di corrente che una batteria, completamente carica è in grado di produrre lungo una scarica di 20 ore alla corrente indicata (in pratica 1/20 del valore numerico della capacità nominale) senza che la tensione vada al di sotto di 1,75 Volt con la temperatura dell'elettrolito di 27 C. In pratica, se la batteria ha una capacità nominale di 100 Ah significa che può erogare 5 A per 20 h, oppure 50 A per 2 h e così via fino ad arrivare a 100 A per 1 h. Concludiamo con altri due parametri, che spesso troverete indicati sui dati di targa della batteria: la profondità di scarica e la durata di vita, quest'ultima espressa generalmente come numero di cicli di carica e scarica. Per quanto riguarda il primo parametro, si parla di un dato indicato in percentuale. Una batteria che ha raggiunto una profondità di scarica del 70% è una batteria che possiede una carica residua del 30%. 2
LE BATTERIE AL PIOMBO Sono le batterie storiche che, sebbene si siano evolute nel tempo, vengono realizzate secondo i principi che tutti conosciamo. Sono accumulatori a 12 Volt, realizzati solitamente da sei celle, capaci di generare 2 Volt ciascuna. Al suo interno troviamo un catodo e un anodo, ossia una piastra positiva e una negativa, separate da un foglio di plastica microporosa che funge da separatore. Le piastre a loro volta sono immerse in un elettrolita (acido per batterie), il quale lambisce i piatti e i separatori e costituisce il veicolo per la trasmissione di elettricità. Il materiale attivo della piastra positiva è il biossido di piombo, mentre quelle negativo, solitamente è costituito da semplice piombo grigio. L'elettrolita utilizzato è l'acido solforico. I pregi di queste batterie sono l'affidabilità allo spunto, la compatibilità con tutte le condizioni ambientali (anche se le temperature estreme tendono a metterle parzialmente in crisi) e i bassi costi di produzione. Tra i maggiori svantaggi, invece, ricordiamo la limitata capacità di sopportare i carichi generati da sistemi di bordo complessi e il ciclo di vita relativamente breve, soprattutto se confrontato con quello di altre tecnologie (vedi per esempio le AGM qui di seguito). 3
LE BATTERIE AGM Questo tipo di accumulatori rappresentano un'evoluzione delle batterie al piombo più tradizionale. Oggi giorno sono molto gettonate, soprattutto dai marchi premium. Le AGM, dove AGM sta per Absorbent Glass Mat, sono particolarmente indicate per le applicazioni di oggi perché sono in grado, grazie alla loro tecnologia, di soddisfare le richieste dei veicoli con sistemi di bordo complessi e con motori dotati di sistemi Start&Stop. In queste batterie le piastre positive e quelle negative sono separate da una particolare fibra di vetro compressa in grado di trattenere l'acido della batteria, evitando che questo sia libero di muoversi all'interno della batteria stessa. La tecnologia con cui vengono realizzati questi elementi che contengono l'elettrolita, consente di raggiungere numerosi cicli di carica e scarica, grazie al lento sfaldamento delle piastre stesse. Ma non solo, l'elevata compressione di queste piastre garantisce un ottima densità di energia e una bassa resistenza interna, aspetti fondamentali per una batteria moderna. Tra le principali caratteristiche di queste batterie ricordiamo una durata pressoché doppia rispetto alle batterie standard, la capacità di gestire carichi elevati, la possibilità di essere ricaricate rapidamente e un'ottima resistenza alle vibrazioni. Sono inoltre batterie che non richiedono manutenzione. Il rovescio della medaglia è il maggiore costo, ma ultimamente le auto per cui si rendono necessarie le batterie con tecnologia AGM sono sempre di più. 4
LE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO Da un punto di vista strettamente tecnico, una batteria agli ioni di litio si compone di un elettrodo positivo (catodo costituito da ossido di litio metallico), da un elettrodo negativo (un anodo in grafite) e da un elettrolita (costituito da un solvente organico e da sali di litio). Vale subito la pena sottolineare il valore, relativamente elevato, della tensione fornita da un elettrodo di una cella di questo genere (si superano anche i 3 V). Bisogna osservare che il numero di batterie di questo tipo utilizzate in campo automobilistico stanno crescendo già da tempo. Del resto, il passaggio alla trazione ibrida o, in taluni casi, a quella totalmente elettrica si sta rilevando una delle strade percorribili per abbattere le emissioni di CO2. Non tutto è scontato, però, perché anche per le batterie agli ioni di litio, i costruttori richiedono precisi standard che allo stato attuale sono un ciclo di vita che può essere compreso tra gli 8 e i 15 anni, una buona resistenza alle vibrazioni (normata secondo precise specifiche) e la capacità di operare per temperature comprese tra i -40 C e i 60 C. 5
APPLICAZIONI DELLE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO Queste batterie possono essere utilizzate sia al posto delle classiche batterie al piombo, sia come sorgenti energetiche primarie per veicoli che le utilizzano come veri e propri alimentatori per la generazione di potenza. Attualmente sono molto poche le auto che montano una batteria agli ioni di litio in luogo di quella più tradizionale. Come esempio ricordiamo la McLaren P1 e alcuni modelli di Porsche. In alcuni mercati, per esempio, la Porsche Boxster Spyder può essere equipaggiata con una batteria agli ioni di litio al posto di quella tradizionale, ma si tratta di un'opzione che costa quasi $2.000. Certo, abbiamo a che fare con un elemento molto più leggero, circa 10 kg in meno, ma sicuramente molto più costoso e poco concorrenziale per questo genere di applicazione (alimentazione dei sistemi di bordo e accensione motore). L'applicazione delle batterie agli ioni di litio inizia a trovare maggiore ragione nel caso dei veicoli Plug-in Hybrid. In questo caso, la richiesta energetica è tale da non poter certo essere garantita dagli accumulatori al piombo e neanche dalle batterie con tecnologia AGM. Veicoli plug-in che utilizzano questa tecnologia sono la Toyota Prius PHEV, la Opel Ampera e la Volkswagen XL1, tanto per citare alcuni esempi abbastanza conosciuti. Se poi andiamo sui veicoli totalmente elettrici, come la Nissan Leaf o la Renault ZOE, ecco che le batterie al litio trovano la loro massima capacità di impiego. 6
IL FUTURO DELLE BATTERIE AL LITIO L'obiettivo è certamente volto a ottenere un incremento di energia per unità di massa delle batterie stesse. Gli studi più recenti parlano di un incremento del 30% circa, tenendo conto che una delle batterie più avanzate oggi commercializzate è quella che troviamo a bordo della Leaf e che può stoccare poco più di 80 Wh/kg. Un aumento del 30%, pari a quello di cui si parla in questi tempi, risulta peraltro plausibile, visto che ricerche di questi ultimi anni hanno dimostrato che è possibile realizzare elementi capaci di immagazzinare fino a 150 Wh/kg. IL FUTURO DELLE BATTERIE IN GENERALE Sebbene l'argomento sia stato toccato più volte nei paragrafi precedenti, vale la pena riassumere gli obiettivi che i costruttori si sono posti per le batterie del futuro. In definitiva, bisognerà aumentare la capacità di carica e la velocità con cui questa potrà essere ottenuta, ma allo stesso tempo si dovranno perseguire obiettivi di minore ingombro e di minor massa. Tutto questo dovrà essere possibile a fronte di costi accettabili. A quanto è stato affermato da alcuni costruttori, tra cui Nissan e Volkswagen in prima linea, ci potrebbero essere sviluppi per una nuova tecnologia, anche se la versione più plausibile è un incremento, anche notevole, delle capacità delle batterie agli ioni di litio, con un'evoluzione ulteriore di questa tecnologia, che sembra essere oggi l'unica in grado di fornire una soluzione percorribile. 7
ULTIME FRONTIERE Il mondo accademico, i centri di ricerca e alcune aziende specializzate stanno anche lavorando su materiali per batterie estremamente innovative. Tra questi, citiamo il grafene, materiale che sta suscitando enorme interesse non solo nel mondo automobilistico. Alcune aziende, stanno lavorando su batterie molto avanzate, che potrebbero garantire autonomie pressoché identiche a quelle oggi assicurate dal gasolio e dalla benzina (anche nell'ordine degli 800 km). Con capacità di ricarica estremamente rapida (qualche minuto) e con una massa e un ingombro particolarmente ridotti, queste batterie del futuro potrebbero fare la differenza. Tra gli aspetti più interessanti, tra l'altro, troviamo il costo che potrebbe essere anche del 75% inferiore rispetto a quello delle attuali batterie al litio. A quanto pare, alcune aziende del settore automotive stanno già effettuando test su alcuni campioni di queste batterie. Se ciò fosse confermato, il loro impiego spianerebbe la strada alla trazione elettrica. 8