“Per dovere di cronaca, la giornata trovata a Milano regalava le perfette condizioni meteo per la batteria. Sole, bel tempo e una temperatura tra i 15 e i 20 gradi: un quadro ottimale per la batteria.”. Così, durante la prova di Dacia Spring (che trovate qui sotto, nel caso ve la foste persa) ho contestualizzato le performance della batteria delle piccola elettrica romena.
Dopo la pubblicazione, però, abbiamo ricevuto diversi messaggi che ci chiedevano in che modo le batterie delle auto elettriche sentano i cambiamenti climatici, e come reagiscano a caldo, freddo o più semplicemente agli sbalzi di temperatura. Siamo allora qui per fare chiarezza. Oggi capiremo perché le batterie risentono delle condizioni climatiche, come si può evitare questo fastidioso problema e quali sono i risvolti futuri.
La composizione delle batterie delle auto elettriche agli ioni di litio
Per capire questo fastidioso problema riguardante le batterie delle auto elettriche dobbiamo fare un passo indietro, e capire come queste batterie siano fatte. Essendo su techprincess qui non andremo nel dettaglio sulla composizione e sulla chimica delle batterie. Se siete interessati a scoprire di più, ci sono diversi libri e studi scientifici che con una ricerca su un portale scientifico come Google Scholar possono saziare la vostra fame di conoscenza.
In generale, comunque, sulla stragrande maggioranza delle automobili ibride, plug-in e soprattutto elettriche si parla di pacchi batterie agli ioni litio. Questo tipo di batterie ricaricabili, dette anche accumulatori, sono formate da diversi elementi, tra cui la cella, componente elementare di cui ci occupiamo oggi. La cella ha il compito in fase di carica di trasformare l’energia elettrica ricevuta dall’esterno in potenziale chimico. In fase di scarica, invece, la cella fa l’opposto, ovvero trasforma il potenziale chimico in energia elettrica per alimentare il sistema a cui è collegata, in questo caso ai motori della nostra auto.
Questi accumulatori sono composti da tante piccole celle, quasi sempre cilindriche per contenere gli ingombri, che racchiudono al loro interno diversi componenti. Anodo, catodo, un circuito che collega anodo e catodo e un fluido, detto elettrolita, al cui interno si trova un sale contenente ioni di litio. L’anodo, di solito costituito di carbonio o grafite, in fase di scarica si ossida, cedendo quindi elettroni al circuito esterno.
ll catodo, invece, è formato da ossidi di metalli di transizione, come nichel, manganese o cobalto. Il catodo in fase di scarica si riduce, accettando elettroni dall’esterno. In tutto ciò fondamentale è il ruolo dell’elettrolita, un fluido conduttore degli ioni litio, grazie al quale questi si trasferiscono tra anodo e catodo, e viceversa. C’è poi un separatore poroso, formato da carta o fibra di vetro. Questo separa i due elettrodi ma ne permette lo scambio di ioni.
Come funzionano (semplicemente) le batterie agli ioni litio
In fase di carica, gli elettroni passano tramite il circuito al catodo, mentre gli ioni litio Li+ passano attraverso l’elettrolita e la membrana e si collocano tra gli strati di grafite del catodo, capace di accettare sia elettroni che ioni poiché si è ridotto. In fase di scarica, invece, gli ioni di litio migrano verso l’anodo attraverso l’elettrolita fluido. Insieme a loro, sul circuito esterno, gli elettroni ceduti passano dal catodo all’anodo attraverso il circuito esterno, producendo così corrente elettrica da cedere al sistema.
Per gestire al meglio il flusso di energia in entrata e in uscita, il pacco batterie è dotato di una centralina chiamata BMS, Battery Management System. Questo controlla anche lo stato di carica, la temperatura delle singole celle, il numero di cicli di carica e scarica effettuati e così via. Il “cervello” delle batterie delle auto elettriche si occupa quindi di monitorare e gestire la salute del vostro pacco batterie.
É tutta questione di… chimica: come caldo e freddo inficiano le prestazioni
Non fate però l’errore di pensare ad un “liquido” simile all’acqua. La viscosità di questo fluido infatti è decisamente superiore a quello dell’acqua, in modo da massimizzare ingombri, stabilità e sicurezza nel suo utilizzo. Nonostante questa maggiore viscosità, è comunque soggetto ad un cambiamento della sua densità e viscosità a seconda delle temperature.
Con il freddo, ad esempio, il liquido diventa più viscoso, più denso, e il passaggio degli ioni è più difficile e rallentato, e con lui il passaggio di elettroni. Allo stesso modo, però, succede con temperature molto alte. La viscosità scende e tutto il ciclo di carica e scarica non è più ottimizzato. Così, nonostante il ciclo di ossidoriduzione riesca ad andare a termine, l’efficienza del sistema non è più quella ideale. Si genera così una quantità totale di corrente minore, e di conseguenza la batteria è come se avesse una capacità minore di quella reale.
Per questo, i produttori di auto elettriche quando registrano le autonomie delle proprie vetture inseriscono sempre un breve disclaimer. “Questi risultati sono stati ottenuti su fondo pianeggiante e nelle condizioni meteo ottimali, con una temperatura esterna di 15-20 °C e cielo sereno“. Il range di utilizzo ottimale delle batterie per auto elettriche è compreso tra -10 e 40 °C. Fuori da questo range, le prestazioni saranno nettamente ridotte. Ma anche solo avvicinandosi a queste temperature, magari oscillando intorno agli 0 gradi o superando i 30, l’autonomia ne risentirà. Per riuscire a capire la massima autonomia di un’auto elettrica quindi servono le migliori condizioni climatiche possibili. Cielo sereno, temperatura tra i 15 e i 20 gradi, percorso senza saliscendi.
Un calo del 10-15% con le temperature invernali
Ma quanto? In media, in inverno l’autonomia di un’auto elettrica scende fino al 15% in meno rispetto alla sua capacità in condizioni ottimali, mentre in estate la perdita è “ridotta” al massimo al 10%. Se quindi, ad esempio, la vostra auto percorre 400 km con una carica, in inverno o in piena estate scenderà a 340-350 km. Inoltre, continui sbalzi di temperatura possono degradare il liquido e le componenti delle singole celle, facendo quindi perdere salute e vita utile alle vostre batterie.
In più, quando la batteria lavora con temperature troppo alte o troppo basse, il sistema di frenata rigenerativa non è in grado di funzionare al massimo regime finché la temperatura della batteria non sarà ottimale. Questo sistema si occupa di recuperare l’energia cinetica persa durante rallentamenti e frenate, ricaricando la batteria. Perdendo questa capacità di ricarica, si perdono diversi km “di recupero” per strada, peggiorando ulteriormente l’autonomia.
I sistemi di riscaldamento e raffreddamento, salvatori ma solo a lungo termine
Ma non è tutto. Consci del problema, i costruttori negli ultimi anni stanno mettendo a punto sistemi per evitare surriscaldamenti o raffreddamenti, e mantenere sempre la temperatura ottimale all’interno del pacco batterie. Le batterie delle auto elettriche, infatti, sono montate quasi sempre sotto al pianale dell’auto, in una scocca ignifuga e senza scambi diretti d’aria con l’esterno.
Per questo, le Case produttrici di battery pack hanno cominciato a collaborare con i costruttori automobilistici per la realizzazione di sistemi di raffreddamento o di riscaldamento. Il raffreddamento può essere ad aria, i più semplici e meno efficienti, ad acqua o collegati con il climatizzatore dell’auto. Il riscaldamento invece è solitamente affidato ad una pompa di calore, simile a quella usata per l’abitacolo.
Questo sistema è particolarmente utile in caso di ricarica. Come per la scarica, anche la ricarica viene negativamente influenzata dalle temperature. La temperatura ottimale per la ricarica è intorno ai 20 gradi, per avere il minor tempo con la minor usura possibile delle celle e il massimo flusso di energia, con conseguenti tempi di ricarica più bassi. Per questo, diverse auto, una volta impostata come destinazione una colonnina di ricarica, azionano il circuito di riscaldamento o raffreddamento delle batterie. In questo modo, una volta arrivati a destinazione il pacco batterie sarà mantenuto esattamente a 20°C, pronto per essere… rifocillato.
Questi sistemi quindi sono parecchio ingegnosi e furbi, ma hanno un difetto. Per funzionare, infatti, hanno bisogno di energia, datagli ovviamente dalle batterie stesse. Le batterie delle auto elettriche dotate di raffreddamento o riscaldamento devono quindi “sacrificare” parte della loro energia per mantenere la giusta temperatura, perdendo quindi “elettroni” utili per muovere l’auto. Un sacrificio immediato che però aiuta a mantenere le batterie in perfetta efficienza e minimizzare l’usura: perdo oggi per guadagnare domani.
Gli altri fattori: rotolamento e densità dell’aria
In inverno però non c’è solamente il freddo a peggiorare l’autonomia. Lo zampino ce lo mettono anche le condizioni atmosferiche e la densità dell’aria. Innanzitutto, in caso di pioggia o peggio di neve, il coefficiente di rotolamento degli pneumatici è peggiore. Perciò, per percorrere lo stesso tratto di strada ai 110 km/h, l’auto dovrà usare più potenza in caso di pioggia o neve rispetto ad una situazione di cielo sereno e terso. Per questo, rispetto all’estate e ai suoi potenziali surriscaldamenti, è il freddo ad essere più pericoloso e dannoso per le auto elettriche.
Infine, quando fa freddo la densità dell’aria è decisamente superiore. Questo significa che l’auto farà più fatica a “fendere” l’aria, e quindi dovrà usare più energia per percorrere il solito tratto di strada ai 110 km/h. Per fare un esempio, la densità dell’aria con una temperatura di 0 °C è di circa il 10% superiore a quella di un giorno primaverile, con una temperatura di 20 °C. Una bella differenza, che fa quindi calare l’autonomia durante le lunghe percorrenze.
Ricapitolando. Abbiamo parlato di perdita di efficienza in caso di caldo o freddo, dell’utilizzo di un sistema di raffreddamento e riscaldamento, della la maggiore densità dell’aria e la difficoltà al rotolamento e infine dello scarso funzionamento del sistema di recupero dell’energia in frenata. Tutti questi aspetti da soli peggiorano considerevolmente l’autonomia. Se uniti, però, possono ridurre l’efficienza della batteria di ben il 50%, dimezzando quindi l’autonomia. Una perdita a dir poco importante.
Il surriscaldamento delle batterie: l’incubo delle elettriche
Chiudiamo poi analizzando una questione ormai sempre più centrale su divrse auto elettriche: il surriscaldamento degli accumulatori. Spesso infatti modelli ad altissime prestazioni, quando si chiedono tutte le prestazioni all’auto (magari in pista, o durante delle drag race, ovvero gare di accelerazione), le batterie si surriscaldano molto. Come? La causa è da ricercarsi nell’enorme quantità di energia richiesta dai motori.
Questo surriscaldamento può essere evitato con un attento studio di un sistema efficiente di raffreddamento che mantenga sempre le batterie in uno stato ottimale per prestazioni e durata nel tempo. Per evitare danni, infatti, diverse auto che soffrono di questo problema vanno in Modalità Protezione. Che significa? Che le prestazioni dell’auto sono ridotte al minimo indispensabile, fino a quando il pacco batterie non sarà tornato ad una temperatura ottimale. Un piccolo prezzo da pagare per eccellenti prestazioni, e destinato presto a diventare un ricordo del passato.
Quando le batterie delle auto elettriche saranno allo stato solido, questi problemi finiranno
Questo perchè le batterie agli ioni litio allo stato liquido sono una tecnologia di passaggio, destinata ad essere sostituita. Da cosa? Dalle attesissime e molto più efficienti batterie allo stato solido. Grazie all’assenza di liquidi, infatti, tutte le problematiche termiche saranno un lontano ricordo. Anche il peso, grazie al materiale solido, più leggero e compatto, sia le dimensioni che il peso saranno notevolmente ridotti.
Questo significa un futuro in cui le batterie delle auto elettriche saranno più leggere, più piccole e non soffriranno né il freddo né tantomeno il caldo. Quando questo scenario fantastico diventerà realtà? Gli studi sono avviati ormai da diversi anni, e dovremmo essere quasi agli sgoccioli. La prima auto con batterie allo stato solido dovrebbe debuttare già entro la fine di quest’anno. Sarà vero? Non possiamo saperlo con certezza. Di certo quando accadrà sarete i primi a saperlo.
Il nostro approfondimento sulle batterie delle auto elettriche giunge così al termine. Cosa ne pensate? Vorreste degli altri approfondimenti su argomenti differenti? Fatecelo sapere nei commenti e sui nostri canali social!
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