Volkswagen Rivista

PENSARE AVANTI

la danza delle molecole.

L’elettromobilità diventerà un fenomeno di massa? Dipende soprattutto dall’efficienza, dalla sicurezza e dal costo delle batterie. Volkswagen studia nuovi materiali e sviluppa le batterie della nuova generazione e di quella successiva.

Testo Sabrina Künz
Illustrazioni KircherBurkhardt Infografik

Ben 2,5 tonnellate, di cui 850 kg di batteria al piombo: questo era il peso del Transporter T2 Electric, il primo veicolo elettrico presentato da Volkswagen nel 1972. Tutt’altro che veloce, questo antesignano dell’auto elettrica raggiungeva un massimo di 70 km/h e una potenza di 33 kW (45 CV). Da allora le Volkswagen elettriche si sono alleggerite di parecchio. La batteria della e-up! pesa circa 230 kg, per una velocità massima di 130 km/h e una potenza di 60 kW (82 CV).

 

Eppure, molti si domandano perché la tecnologia non diventa leggera più rapidamente. Se oggi un cellulare può memorizzare molti più dati di un gigantesco computer del passato, perché non si sviluppano batterie grandi come un vano portaoggetti e con un’autonomia di 600 km? Perché la tecnologia delle batterie è legata a un processo chimico, dunque l’esempio del computer non è calzante.

Come funziona un accumulatore?

Uno sguardo alla batteria della e-up!: tra gli strati di ossido metallico del catodo si accumulano ioni di litio (in rosso).

Per le sue auto elettriche Volkswagen punta sulle batterie agli ioni di litio. Come si possono migliorare? Il settore Ricerca e Sviluppo di Volkswagen impiega oltre 100 collaboratori. L’obiettivo che si sono posti è sviluppare nei prossimi quattro anni prototipi di celle con densità energetica di 280 wattora per chilo (Wh/kg); gli accumulatori odierni non superano i 180 Wh/kg. A tale scopo i ricercatori analizzano sistemi e materiali già in uso, sperimentano alternative, costruiscono prototipi e studiano quelli costruiti da altri produttori. Nel 2009 è stata fondata a Ellwangen la società di ricerca Volkswagen VARTA Microbattery, una joint venture in cui 40 collaboratori sviluppano batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici. Insieme a Volkswagen, eseguono test per verificare se i risultati delle loro ricerche siano applicabili alla produzione in serie, poiché molti materiali nella prassi concreta non si comportano come in laboratorio. Talvolta nemmeno le soluzioni promettenti sono adatte alla produzione in serie, ad esempio a causa di un addensamento insufficiente. Infatti è importante che le particelle di diverse dimensioni nello strato attivo siano in grado di ottimizzare il limitato spazio disponibile. Altri materiali hanno un’elevata efficienza energetica, ma si deteriorano rapidamente e non possono quindi essere prodotti in serie. Il successo di una batteria dipende da 5 criteri: vita utile, energia, prestazioni, sicurezza e costi.

Che cosa rende la e-up! dinamica?

Durante la ricarica, gli ioni di litio (in rosso) passano dal catodo (a destra) all’anodo attraverso il separatore e si depositano nella struttura di grafite.

Che cosa c’è dentro la batteria dell’auto?

Composizione Per l’esattezza, quella dell’auto non è una batteria ma un accumulatore, costituito da numerose unità che producono corrente: nella e-up!, ad esempio, circa 200 celle. Ciascuna contiene un catodo (elettrodo positivo) di ossido metallico di litio e un anodo (elettrodo negativo) di grafite. Tra l’anodo e il catodo è presente un separatore, una sottile membrana in materiale sintetico che isola i due elettrodi, ma permette il passaggio degli ioni. Gli accumulatori contengono inoltre un liquido elettroconduttore, denominato elettrolita.

Processo Fra gli strati di ossido metallico del catodo si accumulano ioni di litio liberi. Durante la carica gli ioni si spostano nel liquido elettrolitico fino agli strati di grafite dell’anodo, dove acquistano elettroni. Per un veicolo elettrico è importante la cosiddetta densità energetica della batteria, misurata in wattora per chilo (Wh/kg). Più ioni di litio sono presenti nel catodo, più se ne possono accumulare nell’anodo durante il processo di ricarica e maggiore sarà l’autonomia del veicolo elettrico. Durante la scarica gli ioni si spostano nell’elettrolita per tornare dalla grafite all’ossido metallico dell’elettrodo positivo.

Vita utile.

La vita utile si misura in cicli di carica. Una cella è pronta per la produzione in serie quando resiste a 1.600 cicli. Non appena è carico, l’accumulatore cerca di ripristinare il suo equilibrio termodinamico, scaricandosi gradualmente anche se non è usato. Tale effetto è denominato autoscarica. La batteria invecchia inoltre in base a tempi, modi e durata delle ricariche e dei viaggi. I fattori ambientali influiscono in entrambi i casi. L’autoscarica aumenta con l’aumentare della temperatura. La batteria si mantiene più a lungo se si trova in ambienti freddi e non è usata. Se invece si usa l’auto, la batteria invecchia più rapidamente col freddo, poiché gli ioni nelle celle sono inerti e occorre più forza per spostarli. Questo può causare la “placcatura del litio”, che si deposita sull’anodo e reagisce formando uno strato fisso non più attraversabile dagli ioni. I ricercatori mirano ad allungare la vita utile degli accumulatori, ad esempio testando materiali con minore sensibilità termica.

Energia e prestazioni.

Un altro importante aspetto è l’energia: la sua disponibilità, l’autonomia elettrica, i tempi di ricarica e l’infrastruttura necessaria. Per migliorare l’autonomia occorrono batterie più leggere. Le celle costituiscono circa il 62% del peso totale della batteria di un veicolo elettrico. I ricercatori tentano quindi di alleggerirne la struttura, ossia le parti non attive. E ci riescono. Nelle batterie di prima generazione, ad esempio, gli elementi erano avvitati; oggi sono saldati, con conseguente risparmio di peso. Inoltre si vuole sfruttare meglio lo spazio interno, per raddoppiare la capacità della prossima generazione a parità di spazio. Si studiano i materiali anche per migliorare l’autonomia. Volkswagen sviluppa ulteriormente la cella a ioni di litio e sperimenta nuove combinazioni di materiali, come la batteria litio-zolfo, con potenziale densità energetica di 600 Wh/kg, e la batteria litio-ossigeno con densità energetica di 1.000 Wh/kg. I test di durata indicheranno se esistono i criteri per la produzione in serie. Anche le prestazioni influiscono, poiché una guida dinamica, le accelerazioni o le frenate in applicazioni diverse come le vetture ibride plug-in o i veicoli elettrici sfruttano molto la batteria.

Che cosa succede quando si frena?

Benvenuti nell’anodo! Qui gli ioni di litio (in rosso) acquistano elettroni (in giallo). Più ioni liberi sono presenti nel catodo, più se ne possono accumulare nell’anodo durante la ricarica e maggiore sarà l’autonomia del veicolo elettrico.

Sicurezza.

La sicurezza è di enorme importanza. L’alta densità energetica in uno spazio ristretto può causare cortocircuiti e incendi. Le batterie non devono poter provocare lesioni in caso d’incidenti. Nei veicoli elettrici di Volkswagen la batteria è posta in modo da non subire danni negli eventuali incidenti. Volkswagen sta anche studiando materiali che non scatenino reazioni chimiche indesiderate. Nell’uso normale dell’auto la batteria deve poter essere sottoposta a manutenzione e riparazione in modo comodo e sicuro. Infine, i costi devono essere paragonabili a quelli delle auto tradizionali.

Costi.

Un ultimo criterio altrettanto decisivo è quello dei costi. L’auto elettrica costa qualche migliaio di euro in più. Senza batteria, la sua produzione in serie costerebbe come quella di un’auto a benzina. Il settore Ricerca e Sviluppo cerca quindi di rendere le auto elettriche accessibili a un maggior numero di clienti. Inoltre, intende bilanciare il ciclo dei materiali affinché tutte le parti della batteria siano riciclabili, per tutelare l’ambiente e ridurre i prezzi. Anche in futuro questo rimarrà un’enorme sfida, poiché molte persone desiderano provare nuovi tipi di motore. Ad agosto 2013 un sondaggio rappresentativo dell’associazione high-tech BITKOM ha scoperto che due terzi dei tedeschi acquisterebbero volentieri un’auto elettrica, ma il 40% lo farebbe solo se i costi complessivi non superassero quelli di un’auto tradizionale.