Le batterie rappresentano il componente chiave dei veicoli elettrici, in quanto responsabili dell’accumulo e della fornitura dell’energia necessaria alla trazione elettrica. In un contesto di transizione energetica e decarbonizzazione dei trasporti, comprendere il funzionamento delle batterie è essenziale per valutare le prestazioni, l’efficienza e la sostenibilità di un’auto elettrica.
La tecnologia attualmente più diffusa nei veicoli elettrici è quella basata su celle agli ioni di litio, ma esistono diverse configurazioni e chimiche, ciascuna con specifici vantaggi in termini di densità energetica, durata del ciclo di vita, sicurezza e costi.
In questo approfondimento analizzeremo nel dettaglio come sono costruite le batterie per auto elettriche – dalle celle ai moduli, fino al pacco batteria – e ne esamineremo il principio di funzionamento elettrochimico, le sfide ingegneristiche associate alla gestione termica e alla sicurezza.
Indice
Com’è fatta una batteria
Le batterie delle auto elettriche sono architetture complesse, costruite su diversi livelli gerarchici per ottimizzare prestazioni, sicurezza e gestione dell’energia. Questi livelli sono principalmente tre: le celle, i moduli e il pacco batteria. Le celle sono l’unità fondamentale di una batteria agli ioni di litio, il “mattoncino” elementare in cui avviene la reazione elettrochimica che produce o assorbe energia. Ogni cella è, in sostanza, una mini-batteria.
Una tipica cella agli ioni di litio è composta da:
- anodo: l’elettrodo negativo, generalmente fatto di grafite (carbonio) o, più recentemente, silicio, che immagazzina gli ioni di litio quando la batteria è carica. Durante la scarica, gli ioni si spostano dall’anodo al catodo, rilasciando elettroni che generano corrente elettrica;
- catodo: l’elettrodo positivo, costituito da ossidi metallici complessi contenenti litio (es. Nichel-Manganese-Cobalto – NMC, o Litio-Ferro-Fosfato – LFP, o Nichel-Cobalto-Alluminio – NCA). Questo materiale determina gran parte delle prestazioni e della densità energetica della cella;
- elettrolita: una soluzione liquida o gelatinosa (elettrolita polimerico nelle batterie allo stato solido, ancora in fase di sviluppo) che consente il movimento degli ioni di litio tra anodo e catodo;
- separatore: una membrana porosa e isolante posta tra anodo e catodo che impedisce il contatto fisico e il cortocircuito, permettendo al contempo il passaggio degli ioni di litio.
Esistono diverse forme e dimensioni di celle, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi in termini di densità energetica, dissipazione del calore e costi di produzione:
- cilindriche: simili a batterie stilo ingrandite. Offrono buona stabilità meccanica e gestione del calore;
- prismatiche: di forma rettangolare o quadrata. Permettono un migliore sfruttamento dello spazio e una maggiore densità energetica volumetrica;
- a sacchetto (pouch cells): simili a sacchetti flessibili, offrono grande flessibilità di forma e un’ottima densità energetica gravimetrica (peso).
Poiché una singola cella non può fornire la tensione e la corrente necessarie per alimentare un veicolo elettrico, centinaia o migliaia di celle vengono raggruppate in unità più grandi chiamate moduli, un insieme di celle collegate tra loro in serie (per aumentare la tensione) e/o in parallelo (per aumentare la capacità e quindi la corrente erogabile).
Sono progettati per essere robusti e resistere a vibrazioni e urti. Spesso includono un sistema di raffreddamento (a liquido o ad aria) che circola tra le celle per mantenere la temperatura operativa ottimale. Il pacco batteria è l’assemblaggio finale di tutti i moduli, insieme a tutti i sistemi di gestione, raffreddamento e sicurezza, racchiuso in un involucro protettivo. È l’intera unità che viene installata nel veicolo.
Come funziona un pacco batterie
Quando la batteria si scarica, quindi quando l’auto in movimento, gli atomi di litio nell’anodo (grafite) subiscono un’ossidazione, perdendo un elettrone e trasformandosi in ioni di litio. Gli ioni di litio rilasciati dall’anodo si muovono attraverso l’elettrolita, attraversano il separatore e si dirigono verso il catodo. Gli elettroni liberati all’anodo non possono passare attraverso l’elettrolita o il separatore. Sono costretti a viaggiare attraverso il circuito esterno (ovvero, i motori elettrici dell’auto), generando così la corrente elettrica che alimenta il veicolo.
Al catodo, gli ioni di litio si ricombinano con gli elettroni provenienti dal circuito esterno e vengono assorbiti nella struttura del materiale catodico dove subiscono una riduzione. Questa reazione chimica rilascia energia. Quando la batteria viene ricaricata (collegata a una stazione di ricarica), una fonte di energia elettrica esterna forza il processo inverso.
Al catodo, gli ioni di litio vengono rilasciati dalla sua struttura cristallina e, contemporaneamente, il materiale catodico subisce un’ossidazione, rilasciando elettroni. Gli elettroni rilasciati dal catodo sono spinti, tramite il circuito esterno, verso l’anodo. Contemporaneamente, gli ioni di litio viaggiano attraverso l’elettrolita e il separatore, dal catodo all’anodo.
All’anodo, gli ioni si ricombinano con gli elettroni provenienti dal circuito esterno e vengono nuovamente introdotti nella struttura della grafite. Questa reazione chimica immagazzina energia.
Tecnologie emergenti
Il mondo delle batterie per veicoli elettrici è spinto dalla continua ricerca di maggiore autonomia, tempi di ricarica più brevi, sicurezza migliorata e costi ridotti, il tutto con un occhio attento alla sostenibilità e all’approvvigionamento delle materie prime. Mentre le attuali batterie agli ioni di litio, con catodi a base di Nichel-Manganese-Cobalto (NMC) e Litio-Ferro-Fosfato (LFP), dominano la scena, diversi orizzonti di ricerca e sviluppo promettono di ridefinire il panorama energetico dei prossimi anni.
Le batterie a stato solido sono spesso celebrate come la prossima grande rivoluzione, il “Santo Graal” dell’accumulo energetico. La differenza fondamentale rispetto a quelle attuali risiede nell’utilizzo di un elettrolita completamente solido, al posto di quello liquido o gelatinoso. Questo cambiamento strutturale porta con sé numerosi vantaggi. Si prospetta una maggiore densità energetica, il che significa poter immagazzinare più energia nello stesso volume o peso, traducendosi in autonomie significativamente maggiori per i veicoli elettrici o in pacchi batteria più compatti e leggeri.
L’assenza di un elettrolita liquido infiammabile promette anche una maggiore sicurezza, riducendo drasticamente il rischio di incendio e di instabilità termica. Alcuni prototipi hanno persino dimostrato capacità di ricarica estremamente rapide, raggiungendo l’80% di carica in appena 10-15 minuti, e si prevede una vita utile estesa grazie alla superiore stabilità chimica.
Tuttavia, le sfide non mancano. La produzione su larga scala rimane complessa e i costi attuali sono elevati. Bisogna superare ostacoli come la formazione di dendriti di litio all’anodo solido e la scarsa conducibilità ionica dell’elettrolita solido, problematiche che possono compromettere prestazioni e durata. Nonostante i progressi, la commercializzazione di massa di queste batterie è ancora un obiettivo per la fine del decennio.
