Dal piombo al litio, per arrivare a quelle "solide” di Tesla, fino alla nuova frontiera della “ricarica liquida”.

Partiamo dall'inizio. La batteria altro non è che un oggetto in grado di accumulare energia chimica e di rilasciare quest'energia sotto forma di elettricità. Sulle auto elettriche o ibride questa elettricità viene trasferita al motore elettrico o ad un altro organo meccanico con funzioni simili, che la trasforma in energia meccanica, donando moto alle ruote e permettendo così all'auto di muoversi.

Questione di chimica

Il principio di base delle batterie delle auto elettriche è lo stesso della pila di Volta, inventata dall'omonimo scienziato lombardo nel 1799 e primo esempio al mondo di generatore statico di energia elettrica. Alla base del funzionamento della batteria c'è un processo chimico che genera un flusso di elettroni da una sostanza che li cede (tramite ossidazione) a una che li riceve (tramite riduzione). Questo flusso si muove all'interno di una terza sostanza, chiamata elettrolita, che può essere liquida ma, ultimamente, anche solida. La presenza di una struttura ordinata e a strati all'interno della batteria permette di intercettare questo flusso di elettroni e di indirizzarlo in una direzione precisa che va dall'anodo (o polo negativo), dove si trova la sostanza che cede elettroni, al catodo (o polo positivo), dove si trova la sostanza che riceve elettroni, generando corrente continua. 

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Le differenze tra la pila di Volta e le moderne batterie presenti sulle auto elettriche riguardano principalmente i materiali e le tecnologie utilizzate: infinitamente più efficienti rispetto agli esordi. Ad oggi molti sono i tipi di batterie presenti sulle auto elettriche o ibride. Alcuni sono obsoleti, mentre altri stanno attraversando la fase di sperimentazione. Altri ancora hanno imposto uno standard per l'equilibrio che sono stati in grado di creare tra prestazioni, caratteristiche e costi. Ecco una panoramica in ordine cronologico su un universo, quello delle batterie, in rapidissima evoluzione.

Batterie al piombo

Con questo nome ci si riferisce in realtà a quelle batterie che sarebbe più corretto definire “accumulatori al piombo acido”. Rappresentano il primo tipo di batterie ricaricabili e sono state realizzate per la prima volta nella seconda metà dell'800. Funzionano grazie a un anodo di piombo e un catodo di perossido di piombo immersi in una soluzione contenente acido solforico (elettrolita). Questo tipo di batterie, che oggi sono utilizzate solo come supporto ai motori di avviamento e per la gestione elettrica delle vetture ad alimentazione tradizionale, sono state usate fino agli Anni '90 anche per alimentare vetture elettriche. Tra gli esempi più illustri la Fiat Panda Elettra, prodotta dal 1990 al 1996, che garantiva 100 km di autonomia e che si ricaricava completamente in circa 10 ore. Oggi solo mezzi non autorizzati alla circolazione su strada come muletti o carrelli transpallet usano ancora batterie al piombo.

 

Batterie auto

Batterie al nichel-metallo idruro

Questo tipo di batterie differisce da quelle al piombo precedentemente descritte per i diversi materiali adottati. Nelle batterie al nichel-metallo idruro (che viene abbreviato in NiMH) l'anodo è composto da una lega metallica, mentre il catodo è in nichel. Di questo tipo sono le normali stilo ricaricabili “AA” o “AAA”. Nelle auto le batterie NiMH hanno trovato applicazione diffusa soprattutto grazie a Toyota, che le ha utilizzate fino a poco tempo fa su tutte le Prius e derivate. Oggi sono state quasi completamente sostituite dalle batterie agli ioni di litio, sia da Toyota sia dagli altri costruttori, perché più efficenti. Tra i maggiori difetti delle batterie al nichel-metallo idruro il cosiddetto “effetto memoria” che di fronte a ricariche parziali riduce progressivamente la capacità di ricarica della batteria abbassando conseguentemente l'autonomia della vettura. Rispetto ad altre batterie, però, quelle NiMH possono contare su un ciclo di vita abbastanza lungo (anche di 8 o 10 anni).

Batterie auto

Batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sfruttano un meccanismo leggermente diverso per generare corrente continua. Ma in sostanza si può sempre parlare di un anodo e di un catodo. Il primo è in litio, il secondo è in carbonio. Le batterie agli ioni di litio (spesso abbreviate in Li-ion) godono di una densità energetica molto elevata. Il che significa che batterie relativamente compatte e leggere generano maggiori quantità di energia elettrica rispetto ai tipi di batterie elencati in precedenza. Diffusissime per alimentare ogni tipo di dispositivo elettronico, dai telefoni cellulari ai computer, hanno preso il sopravvento anche nel settore automotive, con relativi pro e contro. Tra i primi, il già citato grado di efficienza, che permette di risparmiare spazio e peso. A questo si aggiunge il fatto che non soffrendo del già citato “effetto memoria” non necessitano di cicli di carica e di utilizzo completi: possono essere ricaricate spesso e parzialmente senza perdere il loro potenziale. Tra i contro, però, si deve elencare la poca vita utile (al massimo 5 anni): le batterie Li-ion  iniziano a decadere a livello prestazionale fin da quando sono prodotte (anche se non utilizzate). Infine, oltre ad essere altamente infiammabili, lavorano correttamente soltanto in un range ristretto di temperature che va da -10° a +30° C. Al di fuori di questa forbice si degradano velocemente. La prima Leaf, nel 2007, ha introdotto batterie al litio composte da celle laminate, più piatte ed efficienti, sviluppate in joint-venture da Nissan e NEC.

Batterie auto

Batterie allo stato solido 

Evoluzione delle batterie agli ioni di litio, le batterie allo stato solido o ai polimeri di litio sfruttano una sostanza solida anziché liquida come elettrolita. Questa soluzione aumenta la densità energetica della batteria, incrementandone di conseguenza la capacità di generare energia rispetto alle dimensioni (si parla di performance che possono toccare il +50%). Questa caratteristica si traduce, in ambito automobilistico, nella capacità di percorrere lo stesso numero di chilometri con batterie più piccole o con batterie meno cariche. Tra i vantaggi, anche il fatto che questo tipo di batterie è molto meno infiammabile e concede maggiore libertà nell'organizzazione degli spazi interni, permettendo ad esempio di realizzare moduli sottilissimi. Le batterie allo stato solido, infine, riescono a contenere anche meglio le temperature. Sono state utilizzate per la prima volta su larga scala da Tesla, che se ne è fatte sviluppare appositamente da Panasonic. Molte Case però stanno seguendo questa direzione. Tra queste anche Volkswagen, Toyota e BMW.

Batterie auto

Batterie a ricarica liquida

Numerosissime sono le batterie in via di sviluppo che puntano a vincere la corsa all'elettrificazione garantendo prestazioni sempre maggiori. Tra queste particolarmente interessante è quella sviluppata dalla startup bolognese Bettery. Si chiama Nessox ed è una batteria che si ricarica in un certo senso “facendo il pieno” proprio come su un'auto a benzina o a gasolio. La differenza sta nel fatto che per ricaricare la batteria Nessox si deve fare il pieno del liquido che la stessa sfrutta internamente per avviare la produzione di energia elettrica. Un liquido particolare che, una volta esausto, può essere sostituito da altro liquido in grado di “ricaricare” la batteria con un'operazione che, una volta messo a punto il procedimento, richiederà pochi minuti. 

Fotogallery: Come funzionano le batterie delle auto elettriche