L’era dei veicoli elettrici è alle porte e le batterie al litio diventeranno la sorgente di energia di elezione per la mobilità del futuro. Sembra infatti che al momento questa tipologia di batteria non abbia concorrenti. La tecnologia delle celle batteria ha fatto molta strada. Nel 1799, Alessandro Volta confutò la teoria che l’elettricità potesse essere generata solo da esseri viventi. Mettendo insieme dischi di rame e zinco inframmezzati da dischi di carta imbevuti di una soluzione acida aveva realizzato la prima batteria della storia.
Oggi, le batterie, soprattutto quelle il cui uso è previsto per le auto elettriche, sono in grado di immagazzinare incredibili quantità di energia che può essere utilizzata per azionare i motori elettrici. Che poi possono essere ricaricate in tempi ragionevolmente brevi.
- Batterie: tipi e composizione
- Tecnologie delle batterie al litio
- Batterie al litio: una questione di sicurezza
- Tempo di vita di una batteria litio
- Batterie per auto: come migliorare le prestazioni
- Batterie al litio: energia specifica e potenza specifica
- Tempo di ricarica delle batterie per auto
- Quanto costa una batteria al litio per auto
- Batterie agli ioni di litio: mercato e protagonisti
- Batterie al litio e ricarica Wireless
- Battery Monitoring
Batterie: tipi e composizione
Le tecnologie su cui oggi si basano i diversi tipi di batterie al litio e che si contendono il mercato dei veicoli elettrici, che si distinguono nella composizione dei materiali, per il momento, sono le seguenti:
- LCO – Litio Ossido di Cobalto (LiCoO2)
- LMO – Litio Ossido di Manganese (LiMn2O4)
- NMC – Litio Nichel Manganese Ossido di Cobalto (LiNiMnCoO2)
- LFP – Litio Fosfato di Ferro (LiFePO4)
- NCA – Litio Nichel Cobalto Ossido di Alluminio (LiNiCoAlO2)
- LTO – Titanato di Litio (Li2TiO3)
Sono tutte batterie al litio, a indicare che l’elemento principale che sostiene il trasferimento delle cariche elettriche durante la carica e la scarica sono gli ioni di litio (Figura 1). Esistono diverse combinazioni dei materiali che compongono l’anodo e il catodo: cobalto, manganese, nickel, alluminio, fosforo. Ogni combinazione ha caratteristiche diverse e offre vantaggi e svantaggi in termini di sicurezza, prestazioni, costi e altri parametri.
Tecnologie della batteria al litio
La tecnologia prevalente nelle applicazioni consumer (smartphone, tablet ecc) è il litio, ossido di cobalto (LCO), che però è considerato non adatto al settore automotive per lo scarso livello di sicurezza.
Le tecnologie appena elencate, che sono richiamate spesso con la sigla corrispondente, possono venire comparate su sei parametri: 1. sicurezza; 2. vita (misurata sia in numero di cicli di carica e scarica sia temporalmente); 3. prestazioni (potenza di picco soprattutto a basse temperature); 4. energia 5. potenza specifica; 6. costo.
Come si può vedere in Figura 2 non esiste una tecnologia in grado di vincere su tutti i sei parametri di giudizio. Scegliendo la tecnologia migliore lungo un asse significa inevitabilmente dover accettare un compromesso sugli altri parametri. Per esempio, la tecnologia NCA (linea verde del grafico) ha una energia specifica ottimale, in assoluto la migliore, e una prestazione in capacità di erogare potenza di buon livello, così come buone prestazioni e durata in vita. Ma di contro soffre di problemi legati alla sicurezza e di costi decisamente elevati. La tecnologia LFP offre il miglior livello di sicurezza e di potenza specifica ma è carente sul fronte dell’energia specifica e ha costi più elevati di altre tecnologie.
Batterie al litio: una questione di sicurezza
È uno dei criteri considerati tra più importanti. Le batterie al litio sono molto sensibili alla temperatura e la principale preoccupazione su questo fronte è evitare una fuga termica (thermal runaway); una reazione esotermica, che può essere innescata da una carica eccessiva, una velocità di scarica oltre i limiti o un corto circuito, che poi si autoalimenta fino a sprigionare le fiamme.
La risposta termica di una cella è una delle caratteristiche più importanti che vanno ben capite e tenute in considerazione nel progettare un pacco batterie. Aumenti di temperatura indesiderati possono presentarsi all’interno di una cella a causa di una impropria gestione elettrica o meccanica o a causa della presenza di una sorgente di calore esterna, per esempio un guasto di una cella vicina. A seconda della chimica della batteria sono diverse le temperature critiche che, una volta raggiunte, comportano una reazione esotermica che porta alla rottura dei costituenti della cella. Le tecnologie più soggette a questo problema sono la NCA (fuga termica @150°C), la NMC (@210°C) e la LMO (@250°C) che devono essere usate insieme a un sistema di gestione delle batterie (battery management system o BMS) che tiene monitorate tutte le celle. Le più sicure in assoluto, da questo punto di vista, sono quelle al titanato di litio (LTO) seguite dalle LFP con una temperatura di innesco a 270°C.
Tempo di vita di una batteria litio
Ci sono due modi di misurare la durata in vita di una batteria: il numero di cicli di carica-scarica fino a un degrado dell’80% della capacità iniziale a piena carica, oppure il numero di anni che ci si aspetta la batteria mantenga la sua funzionalità. Le batterie dei giorni nostri raggiungono il numero di cicli considerati indispensabili per l’uso nella trazione elettrica ma l’età rimane ancora una variabile troppo dipendente dalla temperatura a cui opera effettivamente la batteria. Nissan per la sua Leaf offriva 5 anni o 60mila miglia (quasi 100mila km) mentre attualmente molti produttori offrono garanzie per le batterie dei loro veicoli di 8 anni ovvero di 100mila miglia (160mila km).
Batterie per auto: come migliorare le prestazioni
Sotto questa voce si misura quanto l’operatività della batteria al litio è in grado di estendersi su un intervallo di temperature di una certa ampiezza. Quasi tutte le tecnologie citate sono sensibili alla temperatura, temperature elevate riducono la durata in vita mentre basse temperature abbassano temporaneamente le prestazioni della batteria. Il possessore di un’auto elettrica si aspetta di poterla usare sia in una estate particolarmente calda che a una temperatura invernale sottozero. Ovviamente senza un peggioramento delle prestazioni del veicolo elettrico; questo diventa un effettivo problema ingegneristico per chi realizza le auto.
Una soluzione può essere quella di prevedere le batterie per una particolare situazione climatica. Per esempio, batterie ottimizzate per avere prestazioni elevate e lunga durata in climi particolarmente rigidi dovranno prevedere sistemi di coibentazione termica e circuiti di riscaldamento mentre se devono adeguarsi a temperature operative elevate dovranno essere basate su tecnologie in grado di sostenerle. La differenza tra questi due approcci è sostanziale e consentirebbe di avere prestazioni ottimizzate per ogni situazione di temperatura. Ma questo limiterebbe la mobilità regionale dei veicoli e i produttori di auto tenderanno ad accettare soluzioni con prestazioni più limitate e con costi aggiuntivi al fine di evitare questo tipo di restrizioni.
Gli accumulatori non vanno d’accordo con le temperature fredde: sotto i 10° C la resistenza interna aumenta e la tensione si abbassa. Le operazioni di ricarica, pertanto, non avvengono nel migliore dei modi. Le batterie auto-riscaldanti stanno diventando, sempre più, una realtà e ciò consentirà alle stesse di durare di più e avere una vita media più lunga, anche a basse temperature.
Batterie al litio: energia specifica e potenza specifica
L’energia specifica misura la capacità della batteria di accumulare energia in rapporto al suo peso: wattora per chilogrammo, Wh/kg. Oggi le batterie Litio Nichel Cobalto Ossido di Alluminio (NCA) possono raggiungere una energia specifica di 240/250 Wh/kg (Figura 3) ma la distribuzione di questo parametro sulle diverse tecnologie parte da un minimo di 80 Wh/kg di quelle al titanato LTO. Questi valori sono trascurabili se si confrontano con i 13.000 Wh/kg dei combustibili tradizionali per i motori a combustione interna.
Tempo di ricarica delle batterie per auto
I tempi di ricarica rappresentano sia una sfida tecnologica che una barriera commerciale. Tempi di ricarica troppo lunghi rendono l’auto elettrica meno appetibile. Ricaricare una batteria al litio da 24 kWh, tipica di una vettura di fascia bassa, con un carica batterie in grado di erogare una potenza di 2 kW, disponibile da una presa domestica, richiederebbe circa 12 ore. Se la si volesse ricaricare in 30 minuti la potenza da erogare diventerebbe di 40 kW e richiederebbe una stazione di ricarica adeguata. Si sta cercando di portare il tempo di ricarica verso i 5 minuti e, sempre considerando una batteria da 24 kWh, la potenza da erogare si avvicinerebbe a 300 kW. Una potenza di picco che la normale rete elettrica non riuscirebbe a soddisfare e richiederebbe quindi di una stazione di ricarica opportunamente dimensionata. Inoltre, questi sistemi di ricarica aggiungono peso e costi al veicolo poiché richiedono sistemi di raffreddamento migliori.
Senza dimenticare poi che dalle procedure di ricarica dipende la vita della stessa batteria. Nella maggior parte delle tecnologie a cui abbiamo fatto riferimento, all’inizio la ricarica suggerita varia tra 0,7C e 2C e solo nelle LMO è accettabile una ricarica a 3C e nelle LTO a 5C. Dove C indica la corrente a cui la batteria viene caricata o scaricata in un’ora. Per esempio, una batteria con capacità di 100 Ah il valore di C è pari a 100 e la ricarica a 5C indica una corrente di 500 A. Ma attenzione, la ricarica veloce riduce il ciclo di vita delle batterie con conseguenti pericoli per gli elementi.
Per un breve lasso di tempo si è avanzata l’ipotesi che nelle stazioni di ricarica si potesse eseguire lo scambio del pacco batterie litio che avrebbe ridotto il tempo di sosta in modo sostanziale. Ma questo modello avrebbe dovuto prevedere una standardizzazione del pacco batteria, cosa che i produttori di veicoli elettrici non avrebbero accettato perché è su questo particolare che si gioca buona parte del vantaggio competitivo che ognuno può mettere in campo. Inoltre, questo metodo avrebbe causato problemi logistici non indifferenti al sistema di gestione delle stazioni di ricarica.
Senza un miglioramento significativo della tecnologia degli accumulatori di energia sarà difficile avere, sotto questo punto di vista, veicoli elettrici con le stesse prestazioni di un’auto a combustione interna in grado di percorrere 500/600 chilometri con una ricarica e di fare il pieno di energia in una decina di minuti sono, ancora, quasi un’utopia.
Quanto costa una batteria al litio per auto
I produttori di auto non solo necessitano di maggiore capacità delle batterie per rispondere alle esigenze del mercato ma hanno ancor più bisogno di batterie a costi contenuti. Le stime svolte nel 2018 da JPMorgan suggerivano che in una auto elettrica la somma di powertrain (motore, trasmissione e relativa elettronica) e delle batterie pesano per il 50% del costo totale di un’auto elettrica (Battery Electric Vehicle – BEV). In comparazione, il powertrain di un motore a combustione interna (Internal Combustion Engine – ICE) pesa solamente il 16% (Figura 4). Il pacco batterie al litio (comprensivo del Battery Management System) pesa per il 35% del costo totale del veicolo. I produttori alla ricerca di ridurre i costi hanno un imperativo chiaro: ridurre i costi delle batterie al litio per auto.
Il prezzo dei pacchi batteria quando sono stati introdotti i primi veicoli elettrici era stimato a circa 1000 dollari per kWh. Oggi il pacco batteria del Model 3 di Tesla è dichiarato a 190$/kWh e quello della Chevrolet Bolt della General Motor del 2017 era stimato a 205 $/kWh. Una riduzione del 70% in 6/7 anni. Il prezzo è sceso sia per l’aumento dei volumi di produzione sia perché i produttori hanno sviluppato processi di produzione più efficienti.
Le previsioni degli esperti stimano che i veicoli elettrici raggiungeranno la parità con quelli a combustione interna quando il prezzo dei pacchi batteria scenderà al livello di 125/150 $/kWh e le previsioni dicono che questa parità sarà raggiunta tra il 2023 e il 2014 (Figura 6). E le proiezioni vedono il prezzo ridursi a circa 73$/kWh nel 2030.
Batterie agli ioni di litio: mercato e protagonisti
Secondo Allied Market Research, il mercato globale delle batterie al litio dovrebbe raggiungere i 100,4 miliardi di dollari nel 2025, ma più che a questo valore assoluto può essere più interessante porre attenzione alla crescita media annua si attesta al 17,1%. Nel 2025 metà del mercato sarà assorbito dal mercato dell’auto elettrica.
La produzione è in mano a un numero relativamente ridotto di produttori principalmente localizzati nell’area Asia-Pacifico.
JPMorgan ha stilato la seguente classifica: Panasonic con il 40% di quota è leader di mercato seguita dalla cinese CATL che detiene il 23%. Viene quindi la coreana LG Chem con il 18%, tallonata da Samsung SDI al 10%. Al quinto posto un’altra cinese, Guoxuan High Tech con il 7%. Queste cinque aziende nel 2018 coprivano il 98% del mercato. Questa classifica è destinata a cambiare poiché nuovi player stanno investendo nella produzione di questo componente. Nomi come Tesla, che ha impiantato una megafactory per coprire le esigenze della sua produzione. Ma anche A123 System, Toshiba, Hitachi Chemical, tutti alla ricerca di una fetta della ricca torta offerta da questo mercato in brillante crescita. Senza contare i progetti North Volt e South Volt che porterebbero al centro della produzione di celle al litio l’Europa e perfino l’Italia.
Batterie al litio e ricarica wireless
Oltre alle migliorie delle caratteristiche tecniche viste in precedenza, il mercato richiederà dispositivi elettrici completamente autonomi. Uno dei grandi ostacoli da superare è quindi quello della ricarica wireless della batteria, ossia di un caricamento senza la necessità di una connessione fisica. Senza addentrarci troppo nei particolari, i dispositivi del futuro (e del presente) potranno funzionare ininterrottamente senza dover smettere mai di ricaricare la batteria. L’energia generata dal vento e dai pannelli solari potrà essere erogata in modalità wireless sulla carreggiata, nel caso di un veicolo in movimento.
I veicoli non dovranno più fermarsi per il rifornimento di corrente elettrica e ciò si tradurrà in vera autonomia. Tutto questo potrebbe portare a una concentrazione limitata di auto nelle stazioni di servizio nonché a una adozione di batterie più piccole. Numerose sfide su prestazioni, costi e sicurezza devono essere ancora superate prima di poter realizzare veicoli elettrici autonomi alimentati in modalità wireless… Ma i produttori sono a buon punto.
Battery monitoring
Le batterie agli ioni di litio hanno richiesto diversi anni di studio teorico e sperimentale prima di essere commercializzate. Negli ultimi anni, l’efficienza di una batteria in termini di quanta energia può erogare rispetto alle dimensioni e al peso è notevolmente migliorata. I ricercatori stanno affrontando ulteriori sfide per migliorare densità di potenza, durata, costi, tempi di ricarica e sicurezza. Il monitoraggio delle prestazioni elettriche è la chiave del successo delle applicazioni con le batterie agli ioni di litio.
Oltre a calcolare l’accumulo di carica elettrica come parametro prestazionale, il monitoraggio garantisce una lunga durata delle batterie evitando spiacevoli situazioni che potrebbero danneggiare celle e veicolo elettrico. I veicoli elettrici sono controllati da uno o più motori elettrici e si basano interamente sull’elettricità prodotta da batterie adeguatamente ricaricate. I motori elettrici consentono anche di semplificare notevolmente la progettazione meccanica, eliminando drasticamente il livello di rumore e le emissioni inquinanti.
Oltre alla ricarica dalla rete elettrica tramite colonnine, alcuni tipi di questi veicoli sono caricati in parte dalla frenata rigenerativa, che attinge all’energia normalmente persa durante la frenata (o utilizzando altre fonti nell’ambito dell’energy harvesting).
Vai all’articolo ——-> BMS: sistema di monitoraggio e gestione delle batterie al litio
