Batterie e ricarica: facciamo il punto

“La batteria agli ioni di litio con elettrolita liquido rimarrà la soluzione preferita dalle Case anche nel prossimo decennio.”

Tutte le batterie presenti nei veicoli ibridi ed elettrici possono ricevere energia rigenerativa dal motore elettrico, in frenata o in rilascio. Se all’asse del motore si impone infatti una forza che imprime una velocità maggiore della velocità nominale (rispettando lo stesso verso di rotazione), il motore anziché assorbire energia dalla rete, inizierà ad erogare energia verso la rete, diventando di fatto un generatore.

Nei veicoli Plug-In Hybrid (PHEV) e nei Full Electric (BEV) le batterie possono essere anche ricaricate tramite una presa di corrente, che veicola all’interno di esse una fonte di energia esterna, tramite un cavo e un connettore. Il connettore dedicato alla corrente alternata, come standard Europeo, è quello di Tipo 2 (Mennekes), con una limitazione di corrente a 32A e 22 kW. Nel caso di ricarica in corrente alternata, questa deve essere successivamente trasformata in corrente continua (DC), tramite un raddrizzatore AC/DC presente all’interno del veicolo, per poter ricaricare la batteria. Nelle auto elettriche il connettore più diffuso in Europa è il CCS Combo 2, che permette sia la ricarica rapida in corrente continua DC (fino a 350 kW), sia in corrente alternata AC (monofase o trifase). Essendo realizzato a partire dal connettore di Tipo 2, il sistema prende il nome di Combo2. Un altro standard diffuso in tutto il mondo per la ricarica veloce in corrente continua DC è il CHAdeMO, che oggi nella nuova versione 2.0 arriva garantisce fino a 400 kW di potenza di ricarica.

Schema del connettore di Tipo 2, il più utilizzato per la ricarica in corrente alternata. Oltre alle tre fasi, il neutro e la messa a terra, troviamo i due importanti segnali di controllo, il CP (control pilot) e il PP (proximity pilot). Il segnale CP permette la comunicazione tra la vettura e la colonnina, prima che avvenga la carica, per verificare per esempio che la batteria sia in grado di ricevere corrente. Il PP determina invece il limite massimo di corrente del cavo di ricarica, per evitare sovraccarichi, e attiva l’immobilizer impedendo qualsiasi movimento del veicolo quando il cavo è collegato.

Le BEV e le PHEV possono essere equipaggiate di adattatori per collegarsi anche alla una normale presa Schuko domestica in corrente alternata, con una limitazione a 16 A e 3,7 kW a 230 V e quindi una ricarica piuttosto lenta. Per confrontare i tempi di ricarica di veicoli elettrici con diverse capacità della batteria, un parametro utile è “fattore C” (C-Rate). Indica il rapporto tra la corrente di carica o scarica di una cella elettrochimica in Ampere (A) e la capacità della cella in amperora (Ah). Per esempio un valore 1 significa che la ricarica completa richiede un’ora, 2 mezz’ora, con un fattore 3 servono 20 minuti. I tecnici e i ricercatori mirano a ottenere un tasso C di 10, il che significa circa sei minuti di tempo di ricarica, simile al classico rifornimento di carburante.


COME FUNZIONA UNA BATTERIA AGLI IONI DI LITIO

Schema di funzionamento di una batteria agli ioni di litio (immagine da Porsche Media)

Nelle batterie agli ioni di litio, gli anodi sono di solito composti da grafite litiata su un supporto di rame, mentre i catodi sono realizzati in una lega di metalli, la più comune è la Li-NMC, Litio, Nickel, Manganese e Cobalto, su un supporto in alluminio. La soluzione garantisce il miglior compromesso tra velocità di ricarica, capacità di erogare potenza, durata e costo. All’interno della batteria, l’elettrodo negativo (anodo) e l’elettrodo positivo (catodo) sono divisi da un separatore.  Il separatore delle batterie agli ioni di litio gestisce e assicura le reazioni elettrochimiche all’interno della batteria. Per farlo, isola i due elettrodi, l’uno dall’altro, impedendo il verificarsi di cortocircuiti interni. Allo stesso tempo fa sì che solamente gli ioni di litio possano passare da una parte all’altra e muoversi quindi tra l’elettrodo negativo e quello positivo, rendendo il sistema permeabile. Il separatore è realizzato con membrane microporose, che variano in base alle caratteristiche della batteria. Si possono usare pellicole di polimeri, come nel caso delle batterie ai polimeri di litio, o separatori ceramici resistenti al calore. I separatori sono particolarmente flessibili e in grado di resistere a temperature fino a 700°. Per far sì che gli ioni di litio possano muoversi all’interno della cella, e svolgere quindi la funzione di portatori di carica, è importante la presenza di un elettrolita. Quello più comunemente usato nelle batterie agli ioni di litio è una soluzione di un sale di litio in una miscela di solventi organici come etilene carbonato (EC) e dimetilcarbonato (DMC). Durante la scarica, e quindi la richiesta di potenza da parte del veicolo, gli elettroni fluiscono dall’anodo al catodo attraverso il circuito esterno, mentre contemporaneamente anche gli ioni di litio, caricati positivamente, passano attraverso il separatore e migrano nella struttura del catodo. Durante la carica invece, una tensione esterna riporta gli ioni di litio nella direzione dell’anodo, dove vengono immagazzinati tra molecole di grafite. Il litio è particolarmente adatto per le batterie perché è il metallo più leggero nella tavola periodica ed è particolarmente propenso a rilasciare uno dei suoi tre elettroni, che compongono la propria struttura molecolare. Allo stesso tempo, l’elevata reattività degli atomi di litio provoca una forte propensione a formare legami chimici con altre sostanze. Per evitare questo fenomeno, gli atomi all’interno della batteria devono essere ben protetti dall’intrusione di aria e di acqua.


ATTENZIONE ALLE TEMPERATURE

Pacco batterie Audi RS e-tron GT raffreddato a liquido. L’alloggiamento del pacco batterie è realizzato tramite una costruzione a sandwich, con una copertura superiore e inferiore. I canali di raffreddamento sono posti nella parte inferiore. Il robusto telaio sul quale alloggiano le batterie integra una struttura in grado di assorbire l’energia in caso di urto.

Il principale nemico delle batterie al litio è la bassa temperatura. Infatti già sotto gli 0°C le batterie vedono ridursi considerevolmente le proprie capacità di immagazzinamento dell’energia. Secondo recenti sperimentazioni, viaggiando con temperature ambientali di pochi gradi sotto lo zero viene perso fino al 20% di autonomia. Oltre al decadimento delle prestazioni, è da considerare anche che alle basse temperature si fa largo utilizzo del riscaldamento, che nelle auto elettriche avviene con pompa di calore e che quindi contribuisce all’aumento del consumo energetico, arrivando a drastiche riduzioni fino al 40% dell’autonomia con i climi più rigidi d’inverno. Le basse temperature limitano anche l’utilizzo delle cariche rapide ad elevati amperaggi. Nonostante infatti la temperatura di esercizio operativa di una batteria al litio moderna sia in genere compresa dai -30 °C ai +50 °C, la carica rapida può essere effettuata solo a partire dai 5°C: a temperature inferiori infatti, i ridotti tassi di diffusione sull’anodo limitano drasticamente il passaggio consentito di corrente. Il freddo viene solo in parte compensato dalla resistenza stessa delle celle, la quale provoca un lieve incremento della temperatura durante la carica. Oltre all’aumentata resistenza, si può incorrere anche nel problema della “placcatura”, cioè quando il litio si deposita come metallo sulla superficie dell’anodo, rendendo la batteria più fragile ed esposta a rotture meccaniche. Questo non avviene se la batteria viene ricaricata lentamente, dando il tempo agli ioni di litio di attraversare gli strati di grafite, saturando l’anodo. Il fenomeno della placcatura è permanente e non è possibile eliminarlo effettuando cicli di carica e scarica controllati.

Il pacco batterie è suddiviso in moduli, all’interno dei quali si trovano le singole celle.
Collegando le celle in serie (cioè elettrodo positivo con elettrodo negativo), viene moltiplicata la tensione, a parità di corrente. Collegando le celle in parallelo, viene moltiplicata la corrente, a parità di tensione.

Anche il caldo influisce sul comportamento delle batterie. Le celle agli ioni di litio cominciano a degradare rapidamente se la loro temperatura è eccessivamente alta (in genere il valore soglia è stimato sopra i 45°C), con conseguente impatto sulla sicurezza delle stesse. Le elevate temperature non costituiscono un problema solo per le prestazioni, ma anche per la possibilità di eventi termici incontrollati. Per controllare il fattore temperatura ed evitare fenomeni dannosi, tutte le batterie moderne sono dotate di un sistema chiamato Thermal Management System (TMS), il quale è in grado di raffreddare o riscaldare la batteria in funzione delle condizioni di esercizio e delle condizioni atmosferiche, evitando di esporla a valori fuori dal range ideale di temperatura. Il condizionamento termico può avvenire sia attraverso il circuito del liquido di raffreddamento, sia tramite resistenze elettriche durante la carica. Fondamentale è la corretta coibentazione del pacco batterie, per evitare la dispersione del calore con l’ambiente esterno. Il TMS è inserito all’interno di un sistema di gestione delle batterie molto più ampio, chiamato BMS (Battery Management System), che si occupa di controllare la batteria durante tutte le fasi di lavoro, in modo da evitare un danneggiamento delle stesse, monitorando costantemente numerosi parametri come lo stato di carica (SOC – State of Charge), lo stato di salute (SOH – State of Health), il voltaggio, la temperatura e la corrente in entrata o in uscita.

Il sistema di Thermal Management System (TMS) della Porsche Taycan. La batteria è integrata nel circuito di raffreddamento del veicolo tramite un circuito idraulico collegato alla pompa del liquido di raffreddamento. La batteria può essere raffreddata o riscaldata in modo che funzioni sempre in una finestra di temperatura ideale.

SCENARIO FUTURO

Sono tanti gli studi attualmente condotti su nuove tipologie di batterie, con lo scopo di migliorare i tre fattori più importanti: capacità di carica, tempi di ricarica e costi. Tra gli studi più interessanti, troviamo la batteria agli ioni di sodio, che offrirebbe le stesse prestazioni del litio ma a un costo nettamente inferiore, oppure la batteria allo stato solido (il cui elettrolita è solido, ceramico o polimerico, e non liquido), che promette più capacità di immagazzinare energia e una carica più veloce. Infine, la batteria agli ioni floruro, che garantirebbe una densità energetica fino a dieci volte superiore a quella degli ioni di litio. Si tratta però di studi sperimentali, che non hanno ancora portato a risultati concreti e applicabili sul mercato. Con buone probabilità, le celle agli ioni di litio rimarranno quindi la tecnologia preferita dai Costruttori di auto elettriche ed ibride per i prossimi anni. L’elevata reattività del litio e l’elevata densità di energia delle celle consentono di immagazzinare una quantità relativamente grande di energia in un piccolo volume. Le batterie al litio vantano inoltre una buona resistenza al tempo e robustezza, che consente loro di sopportare circa 2.000 cicli di ricarica, in un veicolo completamente elettrico, prima di perdere le proprie caratteristiche. Quindi oltre cinque anni, nell’ipotesi di ricarica giornaliera. Inoltre, la tecnologia agli ioni di litio offre ancora numerose opportunità di sviluppo in termini di chimica e progettazione delle celle. Per esempio, sono al momento in fase di sviluppo nuovi materiali anodici alternativi alla grafite, tra cui compositi carboniosi che includono materiali a formazione di lega con il litio, come lo stagno e il silicio. Secondo i ricercatori del Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (ISI), la densità energetica è quasi raddoppiata negli ultimi dieci anni nelle celle delle batterie di grande taglia per le auto elettriche, raggiungendo una media energia specifica di 250 Wh/kg (o densità di energia 500 Wh/l). Entro il 2030, la densità energetica potrebbe aumentare di un fattore due.Le sfide più grandi sono la ricarica rapida e la sicurezza”, riferisce il prof. Dr. Stefano Passerini, Direttore del gruppo di ricerca sull’elettrochimica delle batterie presso l’Helmholtz Institute Ulm “Una ricarica rapida dell’80% in meno di 15 minuti renderebbe i veicoli elettrici molto più appetibili sul mercato. Tuttavia, anche i requisiti di sicurezza sono importanti, e devono andare di pari passo con l’aumento della velocità di ricarica.” Riguardo alle batterie allo stato solido, Passerini afferma che “Ci aspettiamo che le batterie agli ioni di litio allo stato solido riducano i problemi di sicurezza perché gli elettroliti allo stato solido sono meno suscettibili al fuoco. In teoria, potrebbero anche essere caricate più velocemente. Ma la fattibilità pratica deve essere ancora dimostrata”.