Tipologie di batterie dei veicoli elettrici e loro implicazioni

I veicoli elettrici stanno facendo passi da gigante, con nuove startup come Byton, Canoo e Rivian che ogni anno entrano nell’arena per seguire la scia di Tesla. Nel frattempo, le grandi case automobilistiche GM e Ford hanno stanziato rispettivamente 7 e 11 miliardi di dollari per difendere le loro posizioni di leader del mercato. Inoltre, Europa e Cina sono in testa ai mercati globali con oltre un milione di nuove immatricolazioni nel 2020. In aggiunta a ciò, il costo dei veicoli elettrici si sta riducendo grazie all’aumento dell’offerta. Restano tuttavia importanti sfide tecniche e commerciali.

Per capire quando le auto elettriche saranno disponibili per tutti, è fondamentale comprendere quali sono i fattori limitanti, sia dal punto di vista economico che tecnologico. Attualmente il pacco batterie è il componente più costoso di un veicolo elettrico, costituendo il 30% del costo totale.

Tuttavia, con l’aumento della domanda, il costo per chilowattora (kWh) sta diminuendo esponenzialmente, fino a raggiungere i 137 dollari/kWh alla fine del 2020. BloombergNEF stima che, con 100 dollari/kWh, le auto elettriche raggiungeranno presto la parità di costo con i veicoli a benzina.

Ora che il costo delle batterie si sta riducendo, i problemi principali da risolvere riguardano il tempo di ricarica e l’autonomia del veicolo. Gli automobilisti sperano in un tempo di rifornimento (ricarica) non superiore ai cinque minuti, che diventerà il punto di riferimento non ufficiale per la ricarica dei veicoli elettrici.

Comunque sia, a determinare la velocità di ricarica di un EV saranno la composizione della batteria e le stazioni di ricarica.

In termini di prestazioni non esiste un’unica soluzione per le batterie, ma il mercato odierno è dominato dagli ioni di litio (Li-ion), anche se esistono delle alternative interessanti che per certi versi potrebbero risultare superiori agli ioni di litio.

Se l’industria automobilistica si orienterà concretamente verso le auto elettriche, il forte aumento della produzione di batterie creerà una domanda di materiali per la loro produzione senza precedenti.
Molte delle attuali sostanze chimiche utilizzate per la produzione delle batterie vengono anche impiegate per l’elettronica di consumo: questo avrà un impatto significativo anche su questo mercato.

Di conseguenza, ci sarà un momento nel quale nella catena di approvvigionamento si verificherà la contesa tra i due settori per la fornitura di minerali.

La chimica delle batterie per veicoli elettrici “vincente” dovrebbe idealmente ridurre il rischio di causare problemi di approvvigionamento per quanto concerne le materie prime, fornendo al contempo i vantaggi tecnici e ambientali che solo i veicoli elettrici possono offrire.

Principali tipologie di batterie

La stragrande maggioranza delle batterie per veicoli elettrici si basa sugli ioni di litio. La batteria agli ioni di litio è una tecnologia allo stato liquido che utilizza il litio per trasportare la carica elettrica tra gli elettrodi. Per capire quanto siano grandi le batterie utilizzate per veicoli elettrici, basta considerare che queste utilizzano una quantità di litio 10.000 volte superiore a quella presente nella batteria dei telefoni cellulari.
L’aumento della domanda di litio è un fattore che determina l’aumento del suo prezzo.

Tuttavia, le batterie agli ioni di litio non sono prive di problemi.
Per questo motivo, i produttori di batterie stanno sviluppando delle alternative, tra cui le batterie al nichel-metallo idruro (NMH), al piombo-acido, fino ad arrivare agli ultracapacitori e batterie a stato solido.

Gli ioni di litio

Uno dei motivi principali per cui i produttori di veicoli elettrici preferiscono la tecnologia delle batterie agli ioni di litio è il loro elevato rapporto potenza/massa. I componenti pesanti sono nemici dell’autonomia.

Inoltre, le batterie agli ioni di litio hanno un’elevata densità energetica e prestazioni migliori rispetto alle loro alternative a temperature elevate.

La densità di energia degli ioni di litio è più di 2,5 volte superiore a quella delle batterie NMH e piombo-acido e inoltre, le batterie basate su questo sono riciclabili, il che le rende una buona scelta per la salvaguardia dell’ambiente.

Idruro di nichel metallico (NMH)

Mentre gli ioni di litio sono lo standard per i veicoli completamente elettrici (AEV), l’NMH è invece più adatto per i veicoli ibridi elettrici (HEV) e ibridi elettrici plug-in (PHEV).
Sebbene le batterie NMH abbiano un ciclo di vita maggiore rispetto a quelle agli ioni di litio o al piombo, presentano comunque una serie di svantaggi.

Le batterie NMH sono meno costose di quelle agli ioni di litio, ma hanno tassi di autoscarica più elevati nei periodi di non utilizzo. Inoltre, generano un notevole calore che necessita di un apposito sistema di dissipazione che consuma ulteriore energia.
Inoltre c’è il rischio che si verifichino perdite di idrogeno, che i produttori e i consumatori devono tenere sotto controllo.

Sebbene sia apparentemente improbabile, un aumento della domanda di NMH per i veicoli elettrici avrebbe ripercussioni anche su telefoni cellulari, computer e altri dispositivi elettronici.
In più molti utensili elettrici utilizzano delle batterie NMH, quindi in uno scenario nel quale cambia la domanda, anche l’industria delle costruzioni potrebbe venire coinvolta.

Elettroliti allo stato solido

Il chiaro vincitore degli elettroliti allo stato liquido è lo ione di litio, soprattutto se si considera che il numero di biciclette a pedalata assistita, è destinata ad aumentare nei prossimi anni.

Si può facilmente risolvere il problema principale relativo alla sicurezza, ossia il rischio di incendio per i liquidi infiammabili, il che è uno dei fattori determinanti per conquistare la fiducia del grande pubblico.

Le batterie a stato solido sono più sicure rispetto a quelle agli ioni di litio, anche se fondamentalmente utilizzano la loro stessa composizione chimica, ma a rispetto di quest’ultime, utilizza un elettrolita a disco solido. Inoltre hanno una densità di energia superiore a quella degli ioni di litio, derivano da materiali facilmente reperibili e si ricaricano più rapidamente.
Per questi motivi, le batterie allo stato solido sembrano essere il futuro.

Ostacoli alla diffusione su larga scala

Nonostante gli aspetti positivi delle batterie a stato solido, non mancano delle sfide che ne impediscono l’adozione su larga scala. Il primo problema è dato dal fatto che il costo di sviluppo e di produzione sarà più elevato a causa della mancanza di finanziamenti: per spingere i consumatori ad acquistare delle auto con questa tipologia di batterie è fondamentale abbassare il costo.

Un’altra sfida era rappresentata dall’esistenza di una condizione di elevata resistenza elettrica tra l’elettrodo positivo e l’elettrolita, ma i ricercatori hanno già scoperto una soluzione.

Finora non è stata prodotta in serie una batteria allo stato solido per veicoli elettrici e di conseguenza, i problemi di produzione dovuti alla mancanza di esperienza con l’elettrolita a stato solido, sarà causa di ritardi per l’adozione su larga scala.

Conclusione

I veicoli elettrici stanno cambiando il modo in cui pensiamo alle batterie. Gli ingegneri stanno mettendo in discussione i vecchi metodi e soluzioni, tra cui i limiti energetici o i materiali da impiegare per la produzione.
Data la crescente richiesta di veicoli elettrici, è essenziale capire come gli sviluppi economici e tecnici dei veicoli elettrici possano influenzare l’elettronica e i mercati correlati, al fine di garantire la perfetta messa in atto di un piano che non sconvolga l’intero ecosistema.

Articolo originale: https://www.electronicdesign.com/markets/automotive/article/21241459/mouser-electronics-ev-battery-chemistry-and-its-impact-on-the-electronics-industry

Redazione Fare Elettronica