Le basi delle batterie per auto elettriche: come le celle accumulano e rilasciano energia

La batteria di un’auto elettrica accumula energia in forma chimica. La ricarica porta le sue celle a uno stato chimico a energia più elevata. Durante la guida, le celle rilasciano questa energia sotto forma di elettricità, che l’elettronica di potenza e i motori del veicolo trasformano in movimento.

Dalla cella al pacco batteria

Una cella è la più piccola unità elettrochimica completa della batteria. Una singola cella agli ioni di litio produce solo pochi volt, quindi un’auto elettrica collega molte celle per ottenere la tensione e l’energia necessarie.

Le celle possono essere riunite in moduli e poi in un pacco, oppure integrate direttamente nel pacco senza moduli convenzionali. Il pacco comprende le celle e i dispositivi necessari per collegarle, proteggerle e gestirle. Il capitolo Pacco batteria e configurazione descrive i collegamenti elettrici e la costruzione del pacco; Formati delle celle illustra le celle cilindriche, prismatiche e a sacchetto.

Che cosa contiene una cella?

In una cella convenzionale agli ioni di litio, due elettrodi ospitano il litio nei loro materiali attivi. L’elettrodo negativo è generalmente a base di grafite; quello positivo utilizza un composto contenente litio. La loro combinazione contribuisce a determinare la tensione della cella e quanta energia può accumulare.

Nella letteratura sulle batterie, l’elettrodo negativo è solitamente chiamato anodo e quello positivo catodo. Questi nomi descrivono il loro ruolo durante la scarica e vengono normalmente mantenuti anche quando si parla di ricarica.

Altri tre componenti collegano e separano gli elettrodi:

• L’elettrolita trasporta gli ioni tra di essi. Gli elettroliti liquidi convenzionali contengono un sale di litio disciolto in solventi organici.
• Il separatore è una membrana porosa che tiene distanziati gli elettrodi, consentendo agli ioni di attraversare l’elettrolita presente nei pori.
• I collettori di corrente sono fogli conduttivi che collegano i materiali attivi ai terminali della cella. Si usa comunemente rame sul lato negativo e alluminio su quello positivo. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Il capitolo Chimica e componenti delle celle confronta i materiali degli elettrodi e le diverse soluzioni per gli elettroliti.

Come funzionano la ricarica e la scarica

Durante la scarica, gli ioni di litio si spostano dall’elettrodo negativo a quello positivo attraverso l’elettrolita. Gli elettroni fluiscono dall’elettrodo negativo a quello positivo attraverso il circuito esterno, fornendo energia elettrica al veicolo. L’elettrolita conduce gli ioni ma blocca il flusso degli elettroni, che seguono quindi il percorso esterno.

La ricarica inverte il processo. Una fonte di alimentazione fornisce elettroni all’elettrodo negativo e li sottrae a quello positivo. Gli ioni di litio tornano all’elettrodo negativo attraverso l’elettrolita, aumentando l’energia chimica accumulata nella cella. DOE Explains: Batteries

La frenata rigenerativa ricarica la batteria con energia recuperata dal movimento del veicolo: il motore funziona da generatore e restituisce energia elettrica attraverso l’elettronica di potenza.

Le celle agli ioni di litio e agli ioni di sodio condividono questo principio di funzionamento. L’illustrazione mostra ioni di litio (Li⁺) e di sodio (Na⁺) che si muovono tra gli elettrodi. Le celle agli ioni di sodio utilizzano materiali adatti alle diverse proprietà del sodio. Annuncio della prima generazione di batterie agli ioni di sodio (CATL, 2021)

Tensione, corrente, potenza ed energia

Le specifiche delle batterie utilizzano diverse grandezze che rispondono a domande differenti:

• La tensione, misurata in volt (V), è la differenza di potenziale elettrico tra due punti.
• La corrente, misurata in ampere (A), è la quantità di carica elettrica che fluisce nell’unità di tempo.
• La capacità di carica elettrica, misurata in amperora (Ah), è la quantità di carica che una cella o una batteria può erogare in condizioni specificate.
• La potenza, misurata in kilowatt (kW), indica la rapidità con cui l’energia viene erogata o ricevuta.
• L’energia, misurata in kilowattora (kWh), è la quantità erogata, ricevuta o accumulata.

Ai terminali in corrente continua della batteria:

Potenza (kW) = Tensione (V) × Corrente (A) ÷ 1.000

Per esempio, una batteria che eroga una potenza costante di 20 kW per mezz’ora fornisce:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Questa è l’energia erogata ai terminali della batteria. Alle ruote ne arriva meno, perché anche l’elettronica di potenza e il motore presentano perdite. Allo stesso modo, l’energia prelevata dal caricatore supera l’aumento dell’energia accumulata nella batteria, perché anche la ricarica comporta perdite.

Un valore approssimativo dell’energia nominale si può calcolare a partire dalla capacità di carica elettrica:

Energia (kWh) ≈ Tensione nominale (V) × Capacità (Ah) ÷ 1.000

Gli Ah da soli non bastano quindi per confrontare l’energia di batterie con tensioni diverse. L’approssimazione utilizza una tensione rappresentativa; una misura precisa dell’energia tiene conto delle variazioni di tensione durante la ricarica o la scarica.

Stato di carica e limiti operativi

Lo stato di carica (SOC) esprime la carica residua stimata come percentuale di una capacità definita. Il SOC viene stimato tramite misure quali corrente, tensione e temperatura. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

La percentuale visualizzata da un’auto elettrica corrisponde all’intervallo operativo accessibile al conducente. I valori visualizzati di 0% e 100% non sono i limiti elettrochimici assoluti della cella. Il capitolo Riserva della batteria e capacità utilizzabile spiega la capacità lorda e netta (utilizzabile) e i margini di riserva.

La tensione della cella varia in funzione di SOC, chimica, temperatura e corrente. La tensione nominale è un valore di riferimento, non un limite di ricarica. Per esempio, Molicel specifica una tensione nominale di 3,6 V, una tensione di ricarica di 4,2 V e una tensione di interruzione della scarica di 2,5 V per la sua cella INR-21700-P42A. Celle di diversa progettazione possono avere limiti di tensione differenti. Scheda tecnica Molicel INR-21700-P42A, versione 1.7

I limiti superiore e inferiore di tensione influiscono in modo diverso su ricarica e guida. Quando la batteria si avvicina alla carica completa, la potenza di ricarica diminuisce per mantenere le celle entro i limiti superiori di tensione. Con poca carica, il veicolo può ridurre la potenza di propulsione per mantenere le tensioni delle celle al di sopra dei limiti inferiori. Il capitolo Ricarica della batteria spiega come i limiti di ricarica determinano la potenza erogata nel corso di una sessione.

Il sistema di gestione della batteria (BMS) controlla le tensioni delle celle o dei gruppi in parallelo, la corrente della batteria e le temperature nei punti in cui si trovano i sensori. Stima lo stato della batteria e coordina con il veicolo la ricarica e la scarica consentite, mantenendo le celle entro i loro limiti operativi. Manuale tecnico sui sistemi di gestione della batteria Il capitolo Sistema di gestione della batteria approfondisce queste funzioni.

Perché temperatura e corrente sono importanti

La resistenza interna genera calore al passaggio della corrente. A parità di resistenza, raddoppiare la corrente quadruplica il riscaldamento resistivo. Il freddo può aumentare la resistenza e ridurre la potenza disponibile. Anche le reazioni nelle celle possono assorbire o rilasciare calore. Questo effetto reversibile dipende dalla chimica e dallo stato di carica. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

I limiti di temperatura possono restringere sia la ricarica sia la propulsione. Il freddo rende particolarmente difficile ricaricare le celle agli ioni di litio a base di grafite, perché il litio può depositarsi sulla superficie dell’elettrodo (placcatura di litio) anziché entrare nella sua struttura. I sistemi di controllo del veicolo riducono la corrente di ricarica e possono prima riscaldare la batteria.

La frenata rigenerativa può essere limitata da una batteria fredda o completamente carica, perché entrambe le condizioni restringono la potenza che la batteria può accettare. Manuale d’uso della Model 3: Frenata e arresto I sistemi di riscaldamento e raffreddamento aiutano a mantenere condizioni adatte, come spiegato in Gestione termica della batteria.

Il video qui sotto di The Limiting Factor illustra il funzionamento di una cella agli ioni di litio.