Batterie al litio ad altissima densità di energia, oltre 300 Wh/kg

Agli esordi il numero delle auto elettriche superavano di gran lunga le auto a carburante, si parla di 100 anni fa. Adesso la loro nuova introduzione nel mercato internazionale ha delle percentuali in forte crescita annuale ma dovendo ripartire da zero l'operazione è lunga seppur non difficile.Le auto elettriche e ibride conquistano l'1,6 % del mercato totato in Italia e del 3,5% circa negli Stati Uniti. Molto più sensibile è il mercato nord europeo in particolar modo la Norvegia.
Lo schema elettro-meccanico è oramai maturo da decenni. Ii motori elettrici e i loro controlli elettronici sono affidabili e di lunga durata nel tempo considerando che lo stress del sistema motore/azionamento o motore/inverter per le auto è assai minore rispetto allo stress richiesto nell'automazione industriale nel cui settore le applicazioni sono svariate, pesanti e precise. Ogni macchina che produce qualcosa ha come unità fondamentale motori che lavorano insieme, sincronizzati gli uni agli altri. Detto questo, l'uso dei motori che se fa nel settore automotive è del tutto 'rilassante' poiché non si richiedono  tempi di accelerazione della frazione di secondo e franate altrettanto rapide magari intervallate da inversioni di marcia svariate volte al minuto.
Come detto in altri post, non c'è più niente da inventare. C'è molto da fare per affinare i vari componenti e per migliorare l'insieme. Un passo significativo è rappresentato dai motori ruota che abbiamo visto qui, un altro salto è rappresentato dalle batterie al litio di nuova generazione con una densità di energia tale da consentire percorrenze considerevoli grazie alla loro leggerezza e dimensioni. Questo significa che le celle al litio debbano avere un'alta densità di energia, che misuriamo in wattora al chilogrammo (Wh/kg).

Qui tralasciamo gli altri aspetti tecnologici delle batterie al litio per concentrarci esclusivamente sulla densità di energia.

Le batterie che venivano utilizzate fino ad una decina di anni fa (anche oggi, ma sempre meno frequentemente) erano le batterie al piombo e poi, oggi, le piombo gel. Per intenderci, la loro densità di energia era ed è intorno ai 30 Wh/kg. Quindi, per fornire energia di 50 Kwh ad un minibus, dovevamo montare 1,7 tonnellate di batterie al piombo, il peso di un ippopotamo di medie dimensioni, oltre al volume occupato,  che incidevano sensibilmente sulla portata del veicolo elettrico e quindi sulla percorrenza stessa.
Successivamente sono venute fuori la batterie al Ni-Cd che hanno migliorato il rapporto energia/peso, quasi raddoppiandolo, rispetto alle batterie al piombo, circa 50 Wh/kg, circa 1.000 kg di peso per il paccobatterie.
Poi sono comparse le batterie agli idruri metallici (NiMH) con circa 75 Wh/kg. Il peso del nostro armamentario di accumulo di energia di 50 kWh scendeva ai 670 kg.
Le batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4) hanno una densità migliore, alta affidabilità, lunga durata, prezzo contenuto, quindi solo le più utilizzate nel settore automotive. La loro densità si aggira intorno agli 80/90/110 Wh/kg. 550 kg il pacco batterie.
Poco meno di 10 anni fa sono apparse le batterie ai polimeri di litio che hanno rappresentato un salto qualitativamente notevole dal punto di vista della densità ponderale, circa 140/160 wh/kg, equivalenti a 310 kg per il solito pacco di batterie da 50 kWh.

Portare a bordo del minubus un peso passivo equivalente al peso di un ippopotamo come nel caso delle batterie al piombo era piuttosto limitante e non rendeva appetibile il suo utilizzo nonostante i vantaggi rappresentati dall'economicità di esercizio e dalle emissioni zero.  Un salto considerevole lo si è fatto con le batterie al litio-ferro-fosfato e con le batterie ai polimeri di litio permettendo al nostro minibus di alleggerirsi notevolmente del suo peso passivo acquistando un numero di posti/uomo trasportabili  considerevole. Vale a dire, il peso di 1,7 tonnellate della batterie al piombo pesano quanto 24 persone mentre le batterie LiPo pesano solo come 4,5 persone, riconquistando 19/20 posti/passeggero o alleggerendo il peso totale del mezzo elettrico.

Prendiamo in considerazione un'auto elettrica che ha a bordo 24 kWh di batterie con le diverse tipologie.

Pb, 800 kg
NiCd, 480 kg
NiMh, 320  kg
LiFePO4, 267  kg
LPo,   160 kg


E' piuttosto evidente che con l'andare del tempo è l'evoluzione delle batterie che apporta un miglioramento tecnologico ma soprattutto un più coerente utilizzo dato dal rapporto peso totale/portata che ne favorisce un miglior rendimento. Consumare energia per trasportare pesanti batterie non è il miglior modo per sfruttare le qualità del motore elettrico.

Detto questo non resta che attendere un ulteriore miglioramento dello stato dell'arte degli accumulatori per una ulteriore introduzione dei veicoli elettrici. In questo Blog abbiamo trattato spesso l'argomento, gli studi, i centri di ricerca che testano e indagano, gli investimenti messi in gioco per  fare un altro importante salto generazionale .

Forse il salto generazionale è arrivato con le batterie al Litio NCM che hanno una densità di energia doppia rispetto alle litio polimeri, tripla rispetto alle  LiFePO4, quadrupla rispetto alle batterie agli idruri metallici, decupla rispetto alle piombo, il che significa metà peso, un terzo, un quarto, un decimo rispettivamente. Detto meglio : 300/330 Wh/kg.

Di conseguenza 24 kWh di energia accumulata con queste celle peserebbe solo 72/80 kg.

Il altri termini. Se adesso un'auto elettrica ha un'autonomia di 200 km,  con queste batterie potrebbe percorrere oltre 450 km.

Eccole qui le batterie  Litio NCM con dimensioni e alcune caratteristiche essenziali.

Celle Litio NCM
Cella super-performante
Altissima densità energetica, minimo ingombro, massima leggerezza
Tensione nominale: 3,7 V
Capacità disponibili: 20,5 Ah
Dimension pouch cell
Lunghezza Max. 220 mm
Larghezza 3,5 mm
Altezza Max. 120 mm
Peso Approx. 230 gr
Densità 329 Wh/kg
Vita  2500 cicli (DOD 80%)

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