Batteria per veicoli elettrici

Una batteria per veicoli elettrici o batteria da trazione è una batteria utilizzata per alimentare la propulsione dei veicoli elettrici a batteria (BEV), ma anche per i veicoli ibridi plug-in (PHEV), queste batterie dei veicoli sono generalmente ricaricabili. Le batterie da trazione sono utilizzate in carrelli elevatori, golf cart elettrici, lavapavimenti, motocicli elettrici, auto elettriche (BEV e PHEV), camion, furgoni e altri veicoli elettrici.

Descrizione Le batterie dei veicoli elettrici differiscono dalle batterie di avviamento illuminazione e accensione, dette "SLI" (acronimo della lingua inglese per Starting, Lighting and Ignition), perché sono progettate per fornire energia per periodi di tempo prolungati. Le batterie a ciclo profondo vengono utilizzate al posto delle batterie SLI per queste applicazioni. Le batterie di trazione devono essere progettate con una capacità di ampere-ora elevata. Le batterie per veicoli elettrici sono caratterizzate da un rapporto potenza-peso relativamente elevato, energia specifica e densità energetica: batterie più piccole e leggere riducono il peso del veicolo e ne migliorano le prestazioni. Rispetto ai carburanti liquidi, la maggior parte delle tecnologie di batteria attuali hanno un'energia specifica molto più bassa, e ciò influisce spesso sull'autonomia massima completamente elettrica dei veicoli, tuttavia, le batterie metallo-aria hanno un'energia specifica elevata perché il catodo è fornito dall'ossigeno presente nell'aria. Le batterie ricaricabili utilizzate nei veicoli elettrici includono piombo-acido ("allagato", ciclo profondo e VRLA ), NiCd, idruro di nichel-metallo, ioni di litio, polimero di ioni di litio e, meno comunemente, zinco-aria e ai sali fusi. Il tipo di batteria più comune nelle moderne auto elettriche è la batteria agli ioni di litio e ai polimeri di litio, per via della loro elevata densità energetica rispetto al loro peso. La quantità di elettricità (cioè la carica elettrica) immagazzinata nelle batterie viene misurata in ampere-ora o in coulomb, con l'energia totale spesso misurata in wattora.

La batteria costituisce un costo importante dei veicoli elettrici, che a differenza delle auto a combustibile fossile, influisce pesantemente sul prezzo di listino, infatti a partire dal 2018, le poche auto elettriche con oltre di autonomia come la Tesla Model S sono saldamente nel segmento del lusso, anche se secondo il presidente della Mitsubishi Osamu Masuko, il costo della batteria per la Mitsubishi i-MiEV è stato dimezzato tra il 2009 e il 2011. Il costo delle batterie per veicoli elettrici è stato ridotto di oltre il 35% dal 2008 al 2014. Dalla fine degli anni '90, i progressi nella tecnologia delle batterie sono stati sospinti dalle richieste di dispositivi elettronici portatili, come computer portatili e telefoni cellulari, il mercato dei veicoli elettrici ha raccolto i benefici di questi progressi sia in termini di prestazioni, sia in termini di densità di energia.

Il mercato previsto per le batterie da trazione automobilistica è di oltre 37 miliardi di dollari nel 2020.

In termini di costi operativi, il prezzo dell'elettricità per far funzionare un veicolo elettrico è una piccola frazione del costo del carburante per motori a combustione interna equivalenti, ne consegue una maggiore efficienza energetica.

Tipi di batteria

Piombo-acido

Le batterie al piombo-acido sono le batterie da trazione più economiche e in passato più comunemente disponibili. Esistono due tipi principali di batterie al piombo-acido: batterie di avviamento per motori di automobili e batterie a ciclo profondo. Gli alternatori per automobili sono progettati per fornire alle batterie di avviamento alti valori di carica per poter effettuare ricariche veloci, mentre le batterie a ciclo profondo utilizzate per veicoli elettrici come carrelli elevatori o golf cart e come batterie ausiliarie nei camper, richiedono una ricarica multi-stadio.(discussing damage caused by sulfation due to discharge below 50%) Nessuna batteria al piombo acido deve essere scaricata al di sotto del 50% della sua capacità, poiché ciò ridurrebbe la durata della batteria. Le batterie ad acido libero richiedono l'ispezione del livello dell'elettrolita e la sostituzione occasionale dell'acqua che evapora durante il normale ciclo di ricarica.

Tradizionalmente, la maggior parte dei veicoli elettrici utilizzava batterie al piombo acido per via della loro tecnologia consolidata, dell'elevata disponibilità e del basso costo. Come tutte le batterie, hanno un impatto ambientale considerevole durante i processi di costruzione, uso e smaltimento o riciclaggio. Guardando il lato positivo, le percentuali di riciclaggio delle batterie dei veicoli sono superiori al 95% negli Stati Uniti. Le batterie al piombo a ciclo profondo sono costose e hanno una durata inferiore rispetto al veicolo stesso, che in genere necessita di una sostituzione ogni 3 anni.

Le batterie al piombo acido nelle applicazioni EV finiscono per essere una porzione significativa (25-50%) della massa finale del veicolo. Come tutte le batterie, hanno un'energia specifica significativamente inferiore rispetto ai carburanti a base di petrolio, in questo caso 30–40 Wh/kg. Nonostante la differenza di massa non sia così estrema come può sembrare grazie alla trasmissione più leggera in un veicolo elettrico, anche le batterie migliori tendono a portare a masse più elevate se applicate a veicoli comuni. L'efficienza (70–75%) e la capacità di stoccaggio dell'attuale generazione di batterie al piombo a ciclo profondo diminuiscono con temperature più basse e una deviazione dell'energia per far funzionare un sistema di riscaldamento ridurrebbe l'efficienza e l'autonomia fino al 40%. I recenti progressi in termini di efficienza della batteria, capacità, materiali, sicurezza, tossicità e durata possono consentire l'applicazione di questi sistemi nelle automobili elettriche.

La carica e il funzionamento delle batterie si traduce in genere nell'emissione di idrogeno, ossigeno e zolfo, che sono presenti in natura e sono normalmente innocui, se adeguatamente ventilati.

Nichel-metallo idruro

Le batterie al nichel-metallo idruro sono ora considerate una tecnologia relativamente matura. Sebbene siano meno efficienti (60–70%) nella carica e nella scarica rispetto a quelle al piombo-acido, hanno un'energia specifica di 30–80 Wh/kg, molto più elevata di quella degli accumulatori al piombo. Se utilizzate correttamente, le batterie al nichel-metallo idruro possono avere una durata eccezionalmente lunga, come è stato dimostrato dal loro utilizzo in auto ibride che funzionano ancora bene dopo e oltre un decennio di servizio. Gli aspetti negativi comprendono la scarsa efficienza, l'elevata autoscarica, i cicli di carica molto delicati e le scarse prestazioni nella stagione fredda.

Sodio-nichel cloruro

La batteria al sodio-nichel cloruro detta anche ZEBRA (acronimo di Zero Emission Battery Research Activities) utilizza il sodio cloroalluminato fuso (NaAlCl4) come elettrolita. Questa reazione chimica viene anche occasionalmente definita "sali fusi". Tecnologia relativamente matura, la batteria ZEBRA ha un'energia specifica di 120 Wh/kg e una ragionevole resistenza in serie. Poiché la batteria deve essere riscaldata per l'uso, la stagione fredda non influisce fortemente sul suo funzionamento se non per l'aumento dei costi di riscaldamento. Sono state utilizzate in diversi veicoli elettrici. Le ZEBRA possono durare per alcune migliaia di cicli di carica e non sono tossiche. Gli svantaggi della batteria ZEBRA includono una scarsa potenza in rapporto al peso ( <300 W/kg) e il requisito di dover riscaldare l'elettrolita a circa , che spreca un po' di energia e presenta difficoltà a lungo termine di conservazione della carica.

Sodio-Zolfo La batteria al sodio-zolfo (Na-S), inizialmente presentava limiti pratici, quale basse tensioni e dalla necessità di un anodo di metallo Na, problemi superati con l'adozione di un catodo ad alta valenza di zolfo/zolfo (S/SCl 4) e configurazione priva di anodi, con tensione da 3,6 V, dove la dicianamide di sodio (NaDCA) permette sia la conversione reversibile S/SCl 4 e la placcatura/stripping di Na in un elettrolita cloroalluminato non infiammabile, raggiungendo una densità massima di energia e potenza di 1.198 Wh/kg e 23.773 W/kg. Parametri migliorabili grazie alla facilitazione della conversione S/SCl 4, ottenuta incorporando un catalizzatore covalente di bismuto (Bi-COF) all'8 nel catodo S, che ha permesso di raggiungere una corrente di scarica pari a 1.206 mAh/g, una densità energetica massima di 2.021 Wh/kg, risultato raggiungibile con un costo stimato di 5,03 dollari per kWh e un'eccellente scalabilità.

Ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio (e ai polimeri simili ad esso), ampiamente conosciute per il loro uso nei computer portatili e nell'elettronica di consumo, sono le più utilizzate per i veicoli elettrici di ultima generazione. La reazione chimica tradizionale agli ioni di litio prevede un catodo di ossido di litio cobalto e un anodo di grafite. Ciò produce cellule con una notevole energia specifica di oltre 200 Wh/kg ed un'elevata potenza specifica con un'efficienza di carica/scarica dall'80 al 90%. Il rovescio della medaglia delle batterie agli ioni di litio tradizionali comprende la breve durata del ciclo di vita (da centinaia a qualche migliaio di cicli di carica) e un significativo degrado con l'età. Anche il materiale catodico è alquanto tossico. Le tradizionali batterie agli ioni di litio sono esposte al rischio di incendio se forate o caricate in modo improprio. Queste celle non accettano né forniscono carica quando sono estremamente fredde, e quindi un sistema di riscaldamento può essere necessario in presenza di climi particolarmente rigidi. La Tesla Roadster (2008) utilizzava gruppi di tradizionali "batterie per computer portatili" agli ioni di litio che possono essere sostituite individualmente secondo necessità.

I veicoli elettrici recenti utilizzano nuove varianti di accumulatori degli ioni di litio che sacrificano energia specifica e potenza specifica per fornire resistenza alle fiamme, rispetto dell'ambiente, ricarica rapida (in pochi minuti) e durata della vita più lunga. Queste varianti (fosfati, titanati, spinelli, ecc.) hanno dimostrato di avere una durata molto più lunga, con i tipi A123 che utilizzano litio ferro fosfato della durata di almeno 10 anni e più di 7000 cicli di carica/scarica, in LG Chem si aspettano che le loro batterie agli spinelli al litio-manganese durino fino a 40 anni. La continua ricerca sulla stabilità e sicurezza delle batterie, come nel caso delle batterie LFP con struttura delle cellule a forma di prisma della Build Your Dream (BYD) e dalla caratteristica forma appiattita da cui il nome "Blade Battery" ha consentito nel 2023 il superamento con successo del "nail penetration experiment" senza esplodere o bruciare.

Nei laboratori viene svolto molto lavoro sulle batterie agli ioni di litio. L'ossido di litio vanadio si è già fatto strada nel prototipo Subaru G4e, raddoppiando la densità di energia. Nanofili di silicio, nanoparticelle di silicio, e nanoparticelle di stagno promettono più densità di energia nell'anodo, anche i catodi in materiale composito e superlattice promettono significativi miglioramenti della densità.

Esempi di veicoli e relativa capacità della batteria

Elettrici Addax MT: 10-15 kWh Audi e-tron : 95 kWh BMW i3 : 22–33 kWh BYD e6: 60–82 kWh Chevrolet Bolt / Opel Ampera-e : 60 kWh Citroen C-Zero / Peugeot iOn (i.MIEV): 16 kWh (2010) / 14,5 kWh (2013-) Fiat 500e : 24 kWh Ford Focus Electric: 23 kWh (2012), 33,5 kWh (2018) Honda Clarity (2018): 25,5 kWh Hyundai Kona Electric: 39,2–64 kWh Hyundai Ioniq Electric: 28 kWh Kia Soul EV: 27 kWh Kia Niro EV: 39,2–64 kWh Jaguar I-Pace : 90 kWh Mini Cooper SE: 32,6 kWh Nissan Leaf I: 24–30 kWh Nissan Leaf II: 24-60 kWh