L’industria automobilistica è nel mezzo di una rivoluzione, probabilmente seconda alla prima produzione di massa del Modello T. I veicoli elettrici vengono annunciati e lanciati praticamente da ogni casa automobilistica in tutto il mondo. E anche se ci vorrà del tempo prima che la maggior parte dei veicoli sulla strada siano veicoli elettrici, si stanno facendo passi da gigante nella tecnologia delle batterie per veicoli elettrici.
Punti chiave
- Le batterie a stato solido rappresentano l'innovazione più attesa nel breve termine: promettono una maggiore densità energetica, una ricarica più rapida e una maggiore sicurezza rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.
- Le batterie al litio ferro fosfato (LFP) stanno guadagnando quote di mercato grazie alla loro stabilità termica e alla loro lunga durata, anche a densità energetiche inferiori.
- Le batterie agli ioni di sodio si stanno affermando come alternativa a basso costo per i veicoli elettrici di fascia bassa e per i sistemi di accumulo stazionario, dove la densità energetica è meno critica.
- I sistemi di gestione della batteria (BMS) si stanno evolvendo di pari passo con la chimica delle celle per ottimizzare la ricarica, la regolazione termica e il monitoraggio dello stato di salute (SoH) in tempo reale.
- I tecnici dell'assistenza devono monitorare le variazioni della composizione chimica delle batterie dei veicoli elettrici, poiché le procedure diagnostiche e i requisiti di sicurezza variano a seconda del tipo di batteria.
- Gli strumenti diagnostici Midtronics xEV sono progettati per adattarsi alle architetture delle batterie dei veicoli elettrici in continua evoluzione, supportando le officine di assistenza man mano che il panorama tecnologico si trasforma.
Oltre la metà dei potenziali acquirenti di auto afferma che l'ansia da autonomia rappresenta un ostacolo all'acquisto di un veicolo elettrico. Che sia a causa dei limiti di capacità o del tempo necessario per ricaricare una batteria, la costruzione e l'integrazione di batterie migliori saranno assolutamente cruciali nel prossimo decennio.
Ecco a che punto è l’attuale tecnologia delle batterie per veicoli elettrici e cosa potresti vedere entro la fine del decennio.
Batterie agli ioni di litio
La stragrande maggioranza dei veicoli elettrici è costruita con batterie agli ioni di litio. Questo tipo di batteria si trova nei veicoli elettrici più venduti oggi sul mercato e si presume lo sarà anche nei modelli in arrivo nei prossimi anni. In generale, le batterie agli ioni di litio offrono un'elevata densità di energia, sono leggere rispetto alla tecnologia precedente e sono sicure da caricare. Hanno una velocità di scarica bassa e forniscono energia costante durante tutta la scarica.
Tuttavia, le batterie agli ioni di litio non sono impeccabili. Nonostante pesino meno della metà delle batterie al piombo-acido, sono piuttosto pesanti se si considerano le esigenze a lungo raggio. Anche la ricarica è relativamente veloce, ma richiede comunque molto più tempo rispetto al rifornimento di carburante di un veicolo ICE.
Forse la preoccupazione più diffusa per la tecnologia agli ioni di litio riguarda i suoi materiali. Sia che tu stia esaminando i più comuni modelli di ossido di litio nichel manganese cobalto (NMC), ossido di litio nichel cobalto alluminio (NCA), ossido di litio manganese (LMO) o litio ferro fosfato (LFP), utilizzano tutti metalli delle terre rare. Anche se è difficile dirlo con certezza, l’approvvigionamento di questi materiali rari e controversi sembra insostenibile.
Per le batterie agli ioni di litio di oggi, ogni composizione ha punti di forza e di debolezza.
- Le batterie NMC presentano un confronto moderato in termini di prestazioni, energia e costi, ma la loro stabilità termica è inferiore a quella di altre opzioni.
- Le batterie NCA tendono ad essere più costose e producono risultati eccellenti per energia e potenza specifiche, ma sono più volatili.
- Le batterie LMO sono tra le più convenienti attualmente sul mercato e sono nella media in termini di capacità energetica, ma hanno le prestazioni e la durata di vita più basse.
- Le batterie LFP dominano per la loro stabilità termica, sicurezza, costo e durata, ma la loro energia e potenza specifiche sono inferiori alla media.
Batterie all'idruro di nichel metallico
Per i veicoli ibridi-elettrici, la tecnologia al nichel-metallo idruro (NiMH) è stata la soluzione più frequentemente scelta. Case automobilistiche come Toyota utilizzano batterie NiMH nei veicoli ibridi dalla fine degli anni '1990 e i recenti sviluppi, come le batterie NiMH bipolari, continuano a mantenere questa tecnologia molto attuale. Il loro costo è circa la metà rispetto ai pacchi batteria agli ioni di litio di pari dimensioni.
Come la tecnologia agli ioni di litio, le batterie NiMH utilizzano materiali di terre rare come cobalto e lantanio e alti livelli di nichel. Pertanto, abbondano anche le preoccupazioni ambientali per queste batterie.
Le batterie NiMH vengono utilizzate per applicazioni con minore domanda, motivo per cui gli ibridi le utilizzano. Inoltre, hanno livelli di autoscarica più elevati e possono perdere capacità se sono sovraccaricati, ma ciò viene annullato moderando il livello e la velocità di carica. Una ricarica più lenta è la soluzione migliore per le batterie NiMH ed è uno dei motivi per cui i veicoli elettrici completi a lungo raggio non adotteranno questa tecnologia.
Batterie allo stato solido
Forse lo sviluppo più promettente per i veicoli elettrici è rappresentato dalle batterie a stato solido . Sono molto simili alle batterie agli ioni di litio, ma anziché utilizzare un elettrolita liquido per trasportare l'energia da un elettrodo all'altro, il trasferimento avviene tramite un materiale solido con una densità energetica molto maggiore. Le case automobilistiche stanno investendo centinaia di milioni di dollari nelle batterie a stato solido, poiché queste ridurranno notevolmente le dimensioni e il peso delle batterie, rendendole al contempo più stabili.
Poiché le batterie allo stato solido hanno una maggiore densità energetica, possono ricaricarsi in una frazione del tempo di una batteria agli ioni di litio con un elettrolita liquido. Un altro enorme vantaggio è la longevità; laddove una batteria agli ioni di litio si degrada notevolmente dopo 1,000 cicli di ricarica, si dice che le batterie allo stato solido “mantengano il 90% della sua capacità dopo 5,000 cicli”.
C'è ancora molta strada da fare prima che le batterie allo stato solido siano pronte per il mercato, in particolare per quanto riguarda la riduzione dei costi di produzione. C'è la promessa che sarà possibile nei prossimi anni.
Batterie all'anodo di silicio
La grafite è utilizzata in abbondanza nelle batterie dei veicoli elettrici, ma ha limitazioni in termini di capacità. Gli sviluppatori stanno lavorando a progetti che sostituiscano la grafite nell'anodo con microparticelle di silicio mesoporoso e nanotubi di carbonio. Il silicio ha circa dieci volte la capacità della grafite e implementarlo come elemento chiave nelle celle delle batterie potrebbe migliorare notevolmente sia l’autonomia che i tempi di ricarica.
Uno dei maggiori vantaggi delle batterie con anodi di silicio è la ridotta dipendenza dalla grafite, sostituita con un prodotto raffinato dalla cenere di buccia d'orzo. È un passo avanti verso la riduzione della dipendenza dall’estrazione di minerali di terre rare.
Batterie per veicoli elettrici senza cobalto
Probabilmente il materiale più controverso utilizzato nelle batterie agli ioni di litio dei veicoli elettrici a causa delle pratiche minerarie in Congo, dove è più diffuso, il cobalto è fortemente utilizzato nella produzione delle batterie. I futuri progetti di batterie agli ioni di litio potrebbero eliminare il cobalto nel catodo. Poiché il cobalto è così raro e costoso, eliminarlo aiuterà a ridurre il prezzo per migliori tassi di adozione dei veicoli elettrici.
Invece del cobalto, gli sviluppatori hanno lavorato con l'89% di nichel, nonché con alluminio e manganese facilmente disponibili per il catodo. Secondo quanto riferito, ha una maggiore densità energetica rispetto a una tipica batteria agli ioni di litio e può raggiungere autonomie più lunghe con una singola carica.
Elettrodi di nanotubi di carbonio
Il carbonio cristallizzato in uno schema esagonale è noto come grafene ed è un singolo strato di atomi. Gli sviluppatori di batterie di NAWA Technologies sono stati in grado di creare nanotubi di carbonio dal grafene da utilizzare come elettrodi nelle batterie dei veicoli elettrici. I tubi di grafene sono allineati verticalmente per l’elettrodo e sono estremamente conduttivi, rendendo gli elettrodi di carbonio ultraveloci che potrebbero essere utilizzati entro i prossimi anni.
I vantaggi degli elettrodi a nanotubi di carbonio sono enormi. Oltre a dieci volte la capacità energetica, possono essere ricaricate estremamente velocemente. NAWA afferma che una batteria può essere ricaricata all'80% in soli cinque minuti. E poiché il grafene può essere prodotto in serie a buon mercato, può ridurre sostanzialmente i costi delle batterie.
Sintesi
Le attuali batterie agli ioni di litio possono portarti centinaia di chilometri con una singola carica e durare per anni in un veicolo elettrico. La tecnologia del futuro sarà in grado di ricaricarsi molto più velocemente e immagazzinare capacità energetiche più elevate, il tutto in un pacco batteria più leggero e più piccolo.
Domande frequenti
Che cos'è una batteria a stato solido e quando sarà disponibile?
Le batterie a stato solido sostituiscono l'elettrolita liquido delle tradizionali celle agli ioni di litio con un materiale solido, migliorando la densità energetica e la sicurezza. Diversi produttori di veicoli elettrici hanno annunciato obiettivi per la produzione di veicoli elettrici a stato solido entro la fine degli anni 2020, sebbene la diffusione commerciale su larga scala rimanga una sfida. I protocolli di assistenza per i pacchi batteria a stato solido saranno diversi da quelli delle attuali batterie con elettrolita liquido.
In che modo la chimica delle batterie LFP si differenzia da quella NMC?
Le celle al litio ferro fosfato (LFP) sono termicamente più stabili, hanno una durata del ciclo di vita più lunga e sono meno costose da produrre, ma offrono una densità energetica inferiore rispetto alle celle al nichel-manganese-cobalto (NMC). Le celle LFP sono sempre più diffuse nei veicoli elettrici e commerciali di base.
Che cos'è una batteria agli ioni di sodio?
Le batterie agli ioni di sodio utilizzano il sodio al posto del litio come vettore di carica. Sono più economiche da produrre e più adatte ai climi freddi, ma attualmente offrono una densità energetica inferiore rispetto alle batterie al litio. Stanno iniziando a comparire nei modelli di veicoli elettrici a basso costo, principalmente nei mercati asiatici.
In che modo la composizione chimica delle batterie influisce sulla diagnostica dei veicoli elettrici?
Le diverse composizioni chimiche delle batterie presentano curve di carica, intervalli di tensione e profili termici differenti. Gli strumenti diagnostici devono tenere conto di queste differenze nella valutazione dello stato di salute (SoH). Strumenti come il Midtronics xHVS-3000 sono progettati per funzionare con diverse architetture di batterie per veicoli elettrici.
Le batterie dei veicoli elettrici del futuro richiederanno nuove procedure di manutenzione?
Sì. Con l'introduzione nel settore della tecnologia allo stato solido e di altre nuove tecnologie chimiche, i tecnici avranno bisogno di formazione, strumenti e protocolli di sicurezza aggiornati. Rimanere aggiornati sugli standard SAE e sulla documentazione di assistenza OEM è il modo migliore per prepararsi.
Cosa dovrebbero fare ora i negozi per prepararsi alle batterie per veicoli elettrici di nuova generazione?
Investite in apparecchiature diagnostiche adattabili, assicuratevi che i tecnici siano certificati per l'alta tensione e monitorate i bollettini di servizio dei produttori di apparecchiature originali (OEM) per ottenere indicazioni specifiche sulla composizione chimica dei fluidi. L' hub di soluzioni per veicoli elettrici di Midtronics è un utile punto di partenza per le officine che desiderano ampliare le proprie capacità di assistenza per veicoli elettrici.