ElettroWiki | Auto elettriche, quello che bisogna sapere sui pacchi batteria

Tutte le automobili 100% elettriche, hanno necessariamente un pacco batteria agli ioni di litio e a seconda dei modelli proposti, la capacità può variare superando anche i 100 kWh per i veicoli che presentano pacchi batteria più voluminosi.

Una cosa che accomuna tutti questi pacchi batteria è il costo abbastanza significativo nel prezzo complessivo dell'auto, per dare un ordine di grandezza, la produzione di un pacco batteria rappresenta 30% a 50% del costo totale di una macchina elettrica BEV.

Le celle nei pacchi batterie

Oggi vorrei condividere con voi cosa costituisce un pacco batteria elettrica per capire insieme perché sia cosi costosa. Le batterie secondarie (ricaricabili) agli ioni di litio note come batterie Li-ion, sono composte da una serie di celle collegate tra di loro in serie e parallelo. I due componenti principali di una cella sono gli elettrodi (l'anodo e il catodo), il separatore che evita un cortocircuito tra i 2 elettrodi e l’elettrolita che permette agli ioni di litio di passare da un elettrodo all'altro.

Quando si circola, la macchina BEV, consuma elettricità e gli ioni di litio presenti nella batteria passano dall'anodo al catodo. Quando si mette in ricarica il veicolo, gli stessi ioni di litio passano dal catodo all'anodo attraverso l'elettrolita, la membrana isolante situata tra i due elettrodi lascia passare gli ioni di litio ma non lascia passare gli elettroni. Gli elettroni ovviamente passano nel circuito elettrico dell'auto per far girare il motore e tutte le altre apparecchiature elettriche.

Catodo

Il catodo è l'elemento più costoso in una cella di batteria elettrica perché è su questo elettrodo che si trovano i materiali più preziosi. Quando parliamo di batteria di tipo NCA (NiCoAl), NMC (NiMnCo) o NCM (NiCoMn), ci riferiamo ai materiali che si trovano sul catodo. Concretamente un catodo è semplicemente un foglio di alluminio su cui vengono depositati i materiali nichel-manganese-cobalto o nichel-cobalto-alluminio in cui verranno immagazzinati gli ioni di litio.

I materiali presenti in un classico catodo sono; alluminio, nichel, cobalto e vengono arricchiti con il manganese per aumentarne la densità. Alcuni grossi produttori di batterie stanno iniziando a prendere in considerazione il litio-ferro-fosfato o LFP (LiFePO4), una chimica interessante dal punto di vista ambientale e geo-politico poiché evita l'uso di nichel e cobalto.

Un'altra soluzione per ridurre drasticamente il costo di un catodo è semplicemente quello di sostituire il litio. Le batterie agli ioni di sodio stanno iniziando ad essere industrializzate soprattutto in Cina, dove sono riusciti a sostituire il litio con il sodio, un elemento molto più economico che si trova in abbondanza e che quindi permette di ridurre notevolmente il costo del catodo. Di conseguenza le celle che compongono il pacco batteria faranno abbassare il prezzo delle future auto dotate di questa tipologia di pacco batteria.

Sono sempre più le aziende che propongono varianti con batterie LFP per le proprie vetture, ad esempio Tesla con Model 3 e Model Y nei modelli a trazione posteriore, o Ford con la Mustang nel modello con batteria più piccola. Per le batterie al sodio invece in pole position c'è BYD con la piccola city-car Seagull che dovrebbe arrivare anche in Europa con il nome di Dolphin Mini.

Anodo

L'altro elettrodo che costituisce una cella della batteria è l'anodo. L'anodo è un elettrodo molto più semplice, composto da un foglio di rame e grafite. Oggi utilizziamo principalmente grafite sintetica da idrocarburi ma una strada da esplorare è l'utilizzo della grafite naturale proveniente dalle miniere, ha un'impronta di carbonio molto inferiore rispetto alla grafite sintetica anche se è un po' meno raffinata e quindi un po' meno efficiente.

Un altro modo per migliorare l'anodo è quello di utilizzare il silicio. In teoria un anodo al 100% di silicio consentirebbe di immagazzinare fino a quattro volte più ioni litio rispetto ad un normale anodo di grafite. Il problema è che un anodo così realizzato sarebbe molto più sensibile alla dilatazione, cioè alla contrazione e al rigonfiamento del materiale a seconda se si carica o si scarica la batteria ed è per questo che si preferisce aggiungere una piccola porzione di silicio in un anodo di grafite per avere un buon compromesso tra stabilità del materiale e aumento della densità energetica dell'anodo.

La grafite è un materiale costituito da carbonio, ha un sacco di proprietà fisiche, elettrofisiche ed elettrochimiche. Basta fare una ricerca sul web per conoscere le sue caratteristiche ma il costo di produzione frena il suo utilizzo in un settore così complesso come quello dei pacchi batteria agli ioni di litio o agli ioni di sodio.

L'elettrolita

L'elettrolita è il terzo elemento estremamente importante nella composizione stessa delle celle di un pacco batteria e rappresenta circa il 5% del costo di una cella. Si tratta di una soluzione liquida in cui passano gli ioni di litio per andare dal catodo all'anodo o dall'anodo al catodo. A seconda che ricarichiamo o scarichiamo la batteria è estremamente importante che gli ioni di litio possano circolare il più facilmente possibile. L’elettrolita facilità la circolazione e definisce la potenza che può essere emessa da una cella. Più sarà difficoltoso lo spostamento degli ioni di litio da un elettrodo all'altro attraverso l'elettrolita e meno facilmente la batteria sarà in grado di fornire corrente. Uno svantaggio degli elettroliti così come li produciamo oggi è che sono elettroliti liquidi che occupano molto spazio.

Il Santo Graal

Avere elettroliti solidi che occupino molto meno spazio e che consentano di produrre celle del pacco batteria con una densità di energia molto più elevata. Si parla spesso delle batterie allo stato solido, si tratta di batterie in cui abbiamo un elettrolita solido che consentirebbe di moltiplicare per 2 o 3 o anche 4 la densità energetica totale della cella della batteria. Il problema è che tutt’oggi non possiamo far funzionare gli elettroliti solidi così come gli elettroliti liquidi a temperatura ambiente. Il funzionamento di una batteria al litio convenzionale in un veicolo elettrico, ad esempio nelle applicazioni industriali in cui oggi esistono batterie solide, siamo obbligati a riscaldare le batterie affinché funzionino correttamente, il che rappresenta una perdita di energia e una perdita di efficienza abbastanza significativa. Sono certo che un giorno potremo avere batterie ad elettrolita solido che funzionano a temperatura ambiente ma non sarà per l'immediato futuro e i primi modelli che arriveranno con codesta tecnologia sicuramente costeranno molto caro e saranno dunque riservati a usi molto specifici in cui abbiamo davvero bisogno di una densità di energia molto elevata.

Separatore

L'ultimo elemento che si trova nella cella di una batteria è la membrana isolante. Situato tra i due elettrodi, il separatore deve consentire il passaggio degli ioni di litio ma soprattutto non quello degli elettroni evitando cosi il cortocircuito.

In conclusione...

...i materiali presenti nella nostra cella sono da un lato il catodo e dall'altro lato l'anodo, una lamina di rame e grafite, un elettrolita con sostanze chimiche che permettono agli ioni di litio di passare rapidamente da un elettrodo all'altro e una membrana isolante composta da materiali plastici che permette di far passare gli ioni di litio ma non gli elettroni. Tutto ciò spiega il costo elevato della produzione delle celle.

Elettrodi asciutti

Vorrei parlarvi di un punto importante relativo al costo di produzione degli elettrodi, in particolare dell'anodo e del catodo. Per depositare i materiali sulla lastra di rame lato anodico, o sulla lastra di alluminio lato catodico, siamo obbligati a passare attraverso una soluzione composta da un solvente chimico sul lato del catodo o immergendo in acqua sul lato dell'anodo. Il problema quando si esegue un deposito su un elettrodo è l’obbligo di asciugare per poter poi avvolgere l'elettrodo in una cella cilindrica o prismatica. Questa operazione di essiccazione è estremamente costosa poiché richiede molto spazio in fabbrica per srotolare un elettrodo per ben 100 metri di lunghezza in modo che possa asciugarsi.

La produzione delle batterie richiederà dunque di avere un forno che consumerà molta energia per asciugare questo elettrodo in un tempo ragionevole. Per quanto riguarda il catodo, sarà necessario anche recuperare il solvente e riciclarlo (data la sua tossicità), e questo processo di fabbricazione degli elettrodi con deposizione umida occupa molto spazio e richiede molta energia.

Passare attraverso processi di deposizione a secco permetterà di migliorare enormemente la capacità delle fabbriche e il costo degli elettrodi. Grazie a questi processi non avremo più il bisogno di srotolare l'elettrodo per asciugarlo e consumeremo anche molta meno energia poiché non abbiamo bisogno di bruciare energia per asciugare gli elettroni.

Il formato della cella

L'ultimo fattore importante che definisce il costo di una cella è la sua forma. Le celle possono essere di tipo cilindrico paragonabili alle pile che abbiamo nei telecomandi dei nostri televisori ma ben più grosse e ne sono l’esempio concreto le 2170 e 18650 con chimiche NCA e NCM prodotte da LG e Panasonic per i modelli del marchio Tesla.

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La struttura cilindrica può resistere alle pressioni interne senza deformarsi. L'assemblaggio di queste numerose celle avviene mediante saldatura e ciò rende impossibile la sostituzione di una cella difettosa, conseguenza, per ogni cella "problematica", è necessario sostituire l'intero modulo. Il loro design cilindrico offre un'eccellente resistenza meccanica in caso di incidente e consente una migliore gestione termica il che aiuta a prolungarne la durata e a mantenere le prestazioni a livelli ottimali.

Esistono anche le celle prismatiche come quelle con chimica LFP prodotte da BYD, LG Chem e CATL per i modelli Tesla. Le celle prismatiche hanno un solido involucro in plastica o alluminio con terminali a vite o a saldare, che consentono un eccellente imballaggio e un eccellente utilizzo dello spazio. L'unico aspetto negativo è la densità di energia leggermente inferiore rispetto ad altre sostanze chimiche al litio ma i vari produttori di batterie stanno trovando delle soluzioni per migliorare questo punto debole.

La cella cilindrica o prismatica richiede un processo di produzione rapido ed economico, gli elettrodi vengono semplicemente arrotolati e gli strati di elettrodi sono sovrapposti ed eventualmente pressati nel caso della cella prismatica prima di inserirli in una solida gabbia d’acciaio. La loro forma rettangolare consente quindi un'integrazione efficiente nel telaio (in particolare nelle piattaforme "skateboard"), le loro dimensioni maggiori rendono il raffreddamento della batteria meno facile da ottenere perché il calore è il primo nemico della chimica interna (ogni cella è più grande e più spessa, diventa quindi più difficile da raffreddare poiché la sua inerzia termica è maggiore).

Le celle a sacchetto con struttura “pouch”, così chiamate a causa del loro particolare formato rettangolare a "sacco", non hanno un involucro rigido e il guscio esterno è sia in alluminio o polimero e sono state scelte da certe Case automobilistiche come il gruppo Volksen e prodotte da LG Chem per la piattaforma modulare MEB.

L'elevata densità di energia dovuta all'involucro rappresenta un grave svantaggio dal momento che il formato a sacchetto non protegge le celle dalle vibrazioni, deformazioni o schiacciamenti e la bassa resistenza meccanica della busta richiede un sistema di imballaggio adeguato. Bisogna tenere conto di un margine di spazio tra le celle e l'altra, perché durante il carico e lo scarico, le celle rilasciano gas che deformano la struttura. Impilate tra loro non hanno un circuito di raffreddamento a liquido adatto e molto dipende dal design del pacco batteria stesso, con celle che sono più o meno a contatto con il dispositivo di raffreddamento, che può essere ad aria forzata o liquido.

Pacchi batteria strutturali

Dobbiamo tenere presente che le celle sono integrate in un pacco batteria e l'industria automobilistica ha utilizzato sin dall’inizio i cosiddetti pacchi modulari, in cui ogni modulo ha un certo numero di celle. Il vantaggio di questa costruzione modulare è la possibilità di sostituire una cella difettosa, cambiando uno o più moduli invece di dover cambiare l'intero pacco batteria. Attualmente Tesla porta più interesse nella tecnologia cell-to-pack, il pacco batteria strutturale diventa parte integrante del telaio della macchina, raggruppando insieme tutte le celle formato 4680 e incollandole tra di loro mediante una speciale resina poliuretanica si ottiene qualcosa di estremamente rigido e resistente.

Una batteria strutturale non può essere riparata, se una cella è difettosa è l’intera unità che viene sostituita, pertanto il pacco batteria deve essere assolutamente composto da celle di ottima fattura. Nelle fabbriche dove si producono celle per pacchi batteria di auto elettriche i livelli sui controlli di qualità ottengono risultati senza precedenti.

Mille grazie ancora per tutti i vostri commenti, i vostri LIKE e vi auguro buon viaggio!

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