Batterie al litio: un serbatoio di alternative (sorprendenti)

Oggi sono alla base (letteralmente) della maggior parte dei nuovi veicoli e senza di loro il nostro presente (e probabile futuro) sarebbe ben diverso

Di Alben

Pubblichiamo un contributo apparso su Ticino7, allegato a laRegione

La batteria al litio, “serbatoio” di energia per muovere le moderne automobili elettriche e ibride, tecnicamente è un dispositivo capace di convertire l’energia chimica (energia interna immagazzinata nei legami chimici) in energia elettrica attraverso una reazione di ossidoriduzione, vale a dire la cessione di elettroni da un elemento a un altro. Questa reazione è di tipo reversibile poiché si tratta di un accumulatore ricaricabile: quando avviene la ricarica la medesima reazione funziona al contrario, trasformando questa volta la corrente in energia chimica. Vi sembra tutto molto complicato? Beh, proviamo a fare un po’ di chiarezza…

La batteria è composta da due elettrodi, l’anodo collegato al polo negativo, realizzato in un composto carbonioso come la grafite, e il catodo collegato al polo positivo, nel nostro caso affidato a un composto di litio. Questi due elementi sono separati tra loro da una membrana semipermeabile che lascia passare solamente i “nostri” ioni di litio (atomi dotati di carica, avendo perso o guadagnato un elettrone) che vanno a caccia degli elettroni spostandosi tra i due elettrodi attraverso un mezzo di trasporto chiamato elettrolito, di tipo solido. Le fasi di carica oppure di scarica (quando si sfrutta la batteria per muoversi) determinano la direzione di passaggio degli ioni.

La piattaforma di una moderna vettura elettrica.

Il litio

Il litio è il primo degli elementi metallici nonché il più leggero (circa metà dell’acqua a parità di volume). Più importante, questo metallo possiede i più alti livelli di energia di ionizzazione, affinità elettronica ed elettronegatività: è in sostanza il materiale ideale per condensare energia elettrochimica e per questo, a parità di volume, rispetto a una classica batteria al piombo permette di immagazzinare un quantitativo di energia enormemente superiore. Il suo impiego nel campo delle batterie è stato scoperto a inizio anni Settanta. Nei moderni accumulatori il litio non è mai usato da solo, ma sempre in combinazione con altri metalli e terre rare; le soluzioni attualmente di maggior impiego sono litio-manganese (LMO), litio cobalto (LCO), litio-nichel-manganese-cobalto (NMC) che è tra le più diffuse, litio-fosfato di ferro (LFP), litio-nichel-cobalto-alluminio (NCA), titanato di litio (LTO), litio-zolfo (Li-S).

Come una Matrioska

Una batteria agli ioni di litio per auto elettrica o ibrida è composta da molte celle singole, identiche tra loro e collegate sia in serie sia in parallelo per garantire potenza e voltaggio desiderati in fase di progetto. Le celle sono a loro volta organizzate in moduli; svariati moduli vanno infine a costituire l’ossatura di base del nostro accumulatore, il tutto alloggiato all’interno di una struttura rigida. Le elettriche pure adottano gli accumulatori più potenti che possono raggiungere anche i 6-700 kg: questo perché le batterie al litio riescono a immagazzinare molta meno energia, per ciascun kg (2,5 MJ/kg), rispetto ai carburanti convenzionali (54 MJ/kg) e allo stesso idrogeno (143 MJ/kg), dunque a bordo se ne deve trasportare una massa ben più rilevante per poter disporre di un’autonomia assimilabile. La batteria delle auto elettriche è pure molto grande e solitamente occupa tutta la zona inferiore del pianale dell’auto, tra i due assali. Il suo guscio è rigido, isolato dagli agenti atmosferici nonché robusto per superare i crash test; al suo interno sono sovente presenti sistemi di riscaldamento e raffreddamento per mantenere la finestra di temperatura ideale per la massima efficienza.

La delicata fase di assemblaggio e collegamento di un pacchetto di batterie.

Chi controlla chi

Le moderne batterie al litio sono completate da sofisticate circuiterie elettroniche di controllo, che hanno l’incarico di gestire ciascuna cella per prolungare il ciclo di vita e monitorare il funzionamento generale, anche ai fini della sicurezza del veicolo. Il sistema di gestione della batteria (BMS) funge dunque da interfaccia tra accumulatore e dispositivo alimentato, nel nostro caso la vettura. Le sue funzioni sono molteplici e includono: bilanciamento della carica tra le singole celle (redistribuendo la carica in eccesso tra le varie celle oppure utilizzando apposite resistenze di assorbimento), monitoraggio di stato di carica e stato di salute, rilevamento di eventuali malfunzionamenti, monitoraggio temperatura e monitoraggio di eventuali perdite di isolamento. Vengono inoltre ottimizzate la capacità, l’energia e le prestazioni, prevenendo la scarica profonda anche in caso di stoccaggio per lungo periodo.

VOLT, WATT E DINTORNI

Quando si parla di batterie ci si imbatte in terminologie specifiche che definiscono le qualità dell’accumulatore: vale la pena chiarire alcune definizioni. Il Volt indica la tensione di lavoro dell’accumulatore, più è elevato e più aumenta il rischio di folgorazione. Sulle vetture elettriche il voltaggio della batteria è nell’ordine delle centinaia di Volt e per questo sono presenti procedure di sicurezza particolari per gli operatori, mentre le normali batterie a 12V possono essere maneggiate senza particolari accorgimenti. Il Watt, con il suo multiplo kilowatt (kW), esprime la potenza, mentre in combinazione all’indicazione oraria (kWh) indica la quantità di energia immagazzinata nella batteria e disponibile per il motore elettrico; allo stesso modo, questa unità di misura definisce l’energia disponibile per la ricarica. Anche i consumi si esprimono in kWh, generalmente indicando quelli assorbiti dall’auto per 100 km. L’Ampere indica invece la portata della corrente: più è alta e più ne passa per unità di tempo. Moltiplicando gli Ampere per la tensione in Volt si ottiene la potenza disponibile in kW. L’Ampere-ora (Ah) definisce invece la quantità di carica erogabile dalla batteria: 10 Ah, per esempio, indicano la disponibilità di 1 A per dieci ore, oppure di 10 A per un’ora di funzionamento.