Principi fondamentali delle batterie
Le celle ricaricabili immagazzinano energia in forma chimica e la rilasciano come elettricità spostando ioni carichi tra due elettrodi, mentre gli elettroni percorrono un circuito esterno. La maggior parte dei veicoli elettrici usa celle agli ioni di litio; quelle agli ioni di sodio seguono un principio simile, ma impiegano materiali e ioni portatori di carica diversi.
Dalla cella al pacco batteria
Una cella è la più piccola unità elettrochimica completa di accumulo dell'energia. Una singola cella produce normalmente solo pochi volt, quindi un veicolo elettrico ne collega molte per ottenere la tensione e l'energia necessarie.
Le celle possono essere raggruppate in moduli, che vengono poi installati in un pacco batteria. Alcuni pacchi più recenti collocano le celle direttamente nella struttura del pacco, senza i tradizionali involucri dei moduli.
Il pacco completo contiene inoltre connessioni elettriche, dispositivi di raffreddamento o riscaldamento, sensori, contattori, fusibili, un involucro protettivo e un sistema di gestione della batteria.
Il capitolo Pacco batteria e configurazione spiega come le celle vengono collegate e integrate fisicamente.
Cosa contiene una cella?
Una cella convenzionale agli ioni di litio comprende cinque tipi principali di componenti:
- Un elettrodo negativo
- Un elettrodo positivo
- Un elettrolita
- Un separatore
- Collettori di corrente per i due elettrodi
L'elettrodo negativo è comunemente chiamato anodo, mentre quello positivo è detto catodo. Questi nomi descrivono il loro ruolo durante la scarica. Nella letteratura sulle batterie si continuano normalmente a usare gli stessi termini anche parlando della ricarica.
Elettrodo negativo
L'elettrodo negativo immagazzina gli ioni di litio quando la cella è carica e li rilascia durante la scarica.
La maggior parte delle attuali celle per veicoli elettrici usa grafite come principale materiale dell'elettrodo negativo. Alcune aggiungono silicio per aumentare la quantità di litio che l'elettrodo può immagazzinare. Il litio è trattenuto nel materiale dell'elettrodo, non conservato come metallo libero.
Elettrodo positivo
L'elettrodo positivo rilascia ioni di litio durante la ricarica e li riceve durante la scarica.
Il suo materiale attivo è uno dei principali fattori che definiscono la chimica della cella. Le famiglie di catodi comuni nei veicoli elettrici comprendono fosfato di ferro e litio (LFP), nichel-manganese-cobalto (NMC) e nichel-cobalto-alluminio (NCA).
Il capitolo Chimica e componenti delle celle illustra più dettagliatamente questi materiali e i relativi compromessi.
Elettrolita
L'elettrolita permette agli ioni di spostarsi tra i due elettrodi.
La maggior parte delle attuali celle per veicoli elettrici usa un elettrolita liquido contenente un sale di litio disciolto in solventi organici. Altri progetti possono impiegare elettroliti in gel, semisolidi, polimerici o solidi.
L'elettrolita conduce gli ioni all'interno della cella. Gli elettroni devono invece percorrere il circuito elettrico esterno.
Separatore
Il separatore è una membrana sottile e porosa collocata tra gli elettrodi positivo e negativo.
Impedisce il contatto fisico diretto tra gli elettrodi, che potrebbe causare un cortocircuito interno. I suoi pori microscopici consentono comunque agli ioni di attraversare l'elettrolita.
Collettori di corrente
I materiali attivi degli elettrodi vengono depositati su sottili lamine conduttive chiamate collettori di corrente. Queste lamine trasportano gli elettroni tra i materiali degli elettrodi e i terminali della cella.
Le celle convenzionali agli ioni di litio usano normalmente una lamina di rame sul lato dell'elettrodo negativo e una di alluminio sul lato dell'elettrodo positivo. (Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti)
Come funziona la scarica
Durante la scarica, gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo negativo a quello positivo attraversando l'elettrolita e il separatore.
Gli elettroni non possono seguire lo stesso percorso interno attraverso il separatore. Dal terminale negativo raggiungono quello positivo passando per il circuito esterno. Questo flusso di elettroni fornisce energia elettrica al veicolo. (Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti)
Durante la scarica:
- L'elettrodo negativo rilascia ioni di litio nell'elettrolita
- Gli ioni attraversano il separatore verso l'elettrodo positivo
- Gli elettroni lasciano l'elettrodo negativo attraverso il suo collettore di corrente
- Gli elettroni percorrono il circuito esterno
- L'elettrodo positivo riceve gli ioni e gli elettroni di ritorno
La batteria di un veicolo elettrico fornisce corrente continua. L'elettronica di potenza del veicolo controlla questa energia e la invia al motore elettrico e agli altri sistemi ad alta tensione.
Come funziona la ricarica
La ricarica inverte il movimento di ioni ed elettroni.
Una fonte di alimentazione esterna sottrae elettroni all'elettrodo positivo e li fornisce a quello negativo attraverso il circuito elettrico. Contemporaneamente, gli ioni di litio attraversano l'elettrolita tornando dall'elettrodo positivo a quello negativo.
Durante la ricarica:
- L'elettrodo positivo rilascia ioni di litio
- Gli ioni attraversano l'elettrolita e il separatore
- Gli elettroni vengono sottratti all'elettrodo positivo
- Il sistema di ricarica fornisce elettroni all'elettrodo negativo
- L'elettrodo negativo immagazzina gli ioni di litio di ritorno
- L'energia elettrica viene convertita in energia chimica immagazzinata
Lo stesso processo fondamentale avviene durante la frenata rigenerativa. Il motore elettrico funziona da generatore e converte parte dell'energia cinetica del veicolo in energia elettrica, che può essere restituita alla batteria.
L'illustrazione mostra il principio operativo condiviso dalle celle agli ioni di litio e di sodio. Le prime spostano ioni Li⁺ tra gli elettrodi, mentre le seconde spostano ioni Na⁺. Materiali degli elettrodi, tensione, elettrolita e costruzione dettagliata sono differenti.
Tensione, corrente, potenza ed energia
Questi termini descrivono proprietà diverse della batteria:
- Tensione (V): è la differenza di potenziale elettrico che spinge la corrente attraverso un circuito.
- Corrente (A): descrive la velocità del flusso di carica elettrica.
- Potenza (kW): descrive la rapidità con cui la batteria eroga o riceve energia.
- Capacità (Ah): descrive quanta carica elettrica una cella o una batteria può trasferire.
- Energia (kWh): descrive quanto lavoro elettrico può fornire la batteria.
La potenza elettrica si calcola da tensione e corrente:
Potenza (kW) = Tensione (V) × Corrente (A) ÷ 1.000
L'energia nominale approssimativa di una batteria può essere calcolata dalla tensione e dalla capacità in ampere-ora:
Energia (kWh) ≈ Tensione nominale (V) × Capacità (Ah) ÷ 1.000
Si tratta di un'approssimazione, perché la tensione della cella varia continuamente in funzione di stato di carica, corrente, temperatura e chimica.
Una batteria ad alta energia può immagazzinare una grande quantità di energia, mentre una batteria ad alta potenza può erogarla o accettarla rapidamente. La progettazione richiede spesso un compromesso tra densità energetica, potenza, velocità di ricarica, durata, sicurezza, massa e costo.
Tensione della cella e limiti operativi
La tensione di una cella deriva dalla differenza di potenziale elettrochimico tra i materiali degli elettrodi positivo e negativo.
La tensione non è costante. Varia durante carica e scarica, e la forma di questa variazione dipende dalla chimica.
Valori nominali tipici includono:
- Circa 3,2 V per una cella LFP agli ioni di litio
- Circa 3,6–3,7 V per molte celle NMC e NCA agli ioni di litio
La tensione nominale è un valore rappresentativo usato per calcoli e confronti. La tensione effettiva della cella varia entro un intervallo operativo più ampio.
Ogni progetto di cella ha limiti di tensione superiore e inferiore. Caricare oltre il massimo consentito o scaricare sotto il minimo può danneggiare la cella, accelerarne il degrado o creare un rischio per la sicurezza.
Il sistema di gestione della batteria monitora la tensione delle celle e mantiene la batteria entro la finestra operativa consentita. Considera inoltre corrente, temperatura, stato di carica e differenze tra le celle.
Ioni di litio e ioni di sodio
Le celle agli ioni di litio e quelle agli ioni di sodio spostano entrambe ioni positivi tra due elettrodi, ma non sono tecnologie intercambiabili.
Le celle agli ioni di litio spostano ioni di litio, indicati come Li⁺. Quelle agli ioni di sodio spostano ioni di sodio, indicati come Na⁺. Gli ioni di sodio sono più grandi e interagiscono diversamente con i materiali degli elettrodi; le relative celle richiedono quindi materiali e progetti sviluppati specificamente per il sodio.
La maggior parte delle celle agli ioni di litio usa elettrodi negativi a base di grafite. Le celle agli ioni di sodio impiegano comunemente carbonio duro. Differiscono anche i materiali dell'elettrodo positivo, la tensione, la densità energetica, il comportamento termico, il costo e le catene di approvvigionamento.
Il principio operativo è quindi simile, ma le caratteristiche risultanti possono essere sostanzialmente diverse.
Perché parte dell'energia diventa calore
Ricarica e scarica non sono perfettamente efficienti. Ogni cella presenta resistenza elettrica ed elettrochimica, quindi parte dell'energia viene convertita in calore.
Resistenza e generazione di calore dipendono da fattori quali:
- Chimica e costruzione della cella
- Temperatura della batteria
- Stato di carica
- Corrente di carica o scarica
- Età e condizioni della cella
Una corrente maggiore produce normalmente più calore. Anche una temperatura bassa può aumentare la resistenza e ridurre la capacità della batteria di ricaricarsi o erogare potenza.
Questi effetti spiegano perché un veicolo elettrico necessita di gestione termica e perché potenza di ricarica, frenata rigenerativa e accelerazione possono essere limitate quando la batteria è molto fredda, calda, quasi piena o quasi scarica.
Per un approfondimento tecnico sul funzionamento delle celle agli ioni di litio, questo video di The Limiting Factor offre un'utile spiegazione visiva.