La batteria della macchina è l’elemento in cui si conserva l’energia necessaria per farla partire. Batteria scarica significa rimanere a piedi, come è capitato a tanti. Ma con l’avvento dell’elettrico la batteria è diventata molto di più: significa anche autonomia!
Vedremo come sta cambiando la tecnologia delle batterie di oggi e di domani, cosa sono le batterie allo stato solido e come funzionano, dove si potranno trovare presto, che vantaggi daranno e quanto ci peserà la transizione.
La vecchia batteria
Prima di addentrarci nel futuro, diamo uno sguardo al passato per capire meglio il cambiamento. La batteria è un accumulatore, un apparecchio che riceve energia, la conserva al meglio e la rende disponibile quando serve. Il principio è lo stesso delle batterie dei telefoni cellulare, per esempio, ma anche delle normali pile elettriche ricaricabili.
L’accumulo di energia avviene per processo chimico, con un elettrodo positivo e uno negativo immersi in una sostanza che emette ioni, un elettrolita. La batteria della macchina ha il compito principale di alimentare il motorino di avviamento e poi l’impianto elettrico di bordo.
L’alternatore della macchina è l’apparecchio preposto alla ricarica della batteria. Quando la batteria è attivata, si sviluppa una corrente tra gli elettrodi che converte il piombo in solfato di piombo. Questo fenomeno di solfatazione è un processo lento e può non creare problemi se si usa la batteria solo per l’accensione. A motore in movimento, infatti, la batteria non trasmette elettricità, ma la riceve.
I problemi delle batterie tradizionali sono ben noti e sono legati principalmente al pericolo di un elettrolita liquido. Le batterie possono deteriorarsi anche (forse soprattutto) se non vengono usate, oppure in caso di collisione, possono esserci fuoriuscite di liquidi. La carica si perde se non c’è attività e sono sensibili agli sbalzi di temperatura.
Inoltre, per i veicoli elettrici, l’autonomia della batteria e la necessità di avere molte batterie ha spinto la ricerca nel settore automobilistico a trovare nuove soluzioni, che finalmente stanno raggiungendo il mercato: le batterie allo stato solido.
La batteria allo stato solido
Il principio di questo passaggio rivoluzionario nel settore delle batterie è avere un elettrolita allo stato solido invece che liquido. Lo stato solido è più compatto e più stabile, non ci sono rischi di perdite di liquidi e le dimensioni si riducono.
Nel settore in forte traino delle auto elettriche, le batterie a stato solido sono un vero e proprio boom, che determinerà le quote di mercato, il successo (e l’insuccesso) delle case automobilistiche del futuro.
Un passaggio intermedio dalla soluzione di litio liquida al solido sono le batterie che sfruttano un elettrolita in gel. Ma il futuro è nel solido: il materiale ideale ancora non è stato raggiunto, al momento si parla di ossidi, poliesteri, solfuri, poliuretano.
Al momento, lo sviluppo su cui sembra convergere la ricerca è l’anodo metallico, una cella allo stato solido con un elettrodo positivo (catodo) e relativo contatto elettrico, più un separatore polimerico o ceramico che funge da elettrolita.
La differenza evidente rispetto ai modelli tradizionali è che in queste batterie a stato solido per auto manca l’anodo in grafite, essendo presente solo un contatto elettrico. Ci sono altri modelli che comprendono un elettrolita gel nel catodo.
La ricerca sta ancora avanzando molto in termini di materiali e sembra che ad aggiudicarsi il futuro mercato delle batterie solide sarà il produttore che riuscirà ad agganciare il traino giusto con i laboratori di ricerca e ad arrivare prima a consolidare i brevetti più efficaci.
La situazione di oggi e di domani
I ricercatori dell’università di Harvard hanno già messo a punto un modello di batteria che si ricarica in 10 minuti (!) e garantisce un’autonomia di 300 km. È un accumulatore allo stato solido molto avanzato (ma ancora migliorabile). Vediamone alcuni vantaggi.
Lo stato solido è più denso e quindi più sicuro. Ma anche la densità energetica è molto maggiore, quindi a parità di peso e di volume c’è molta più energia (molta più autonomia). La maggiore densità aiuta infine ad accumulare (ricaricarsi) molto più rapidamente.
I ricercatori e gli esperti prevedono che la produzione in serie di queste nuove batterie partirà tra circa cinque anni, ma qualcuno ipotizza di accelerare i tempi, puntando già al 2024, se non prima. Vediamo come si muovono i produttori.
Case automobilistiche e startup
Tra i produttori più all’avanguardia nella ricerca c’è Toyota, che punta a presentare entro breve i primi veicoli con batteria allo stato solido. Volkswagen sta investendo in una startup americana sostenuta anche da Bill Gates, QuantumScape, che sta per lanciare una linea di produzione di batterie allo stato solido.
Anche l’americana Ford ha investito in una startup (Solid Power) che lavora allo sviluppo di elettroliti solidi e punta a introdurre le nuove batterie nei modelli del 2022. La cinese Nio presenterà presto una berlina con batterie solide e autonomia di più di 1000 km con una ricarica.
Infine, Hyundai ha appena annunciato di aver investito circa 100 milioni di dollari in una startup (SolidEnergy Systems) per avviare la produzione in massa di veicoli con le nuove batterie al solido entro il 2030.
Al momento, la corsa ai brevetti è dominata dall’estremo oriente, con un 37% di quote in Giappone, un 28% alla Cina e un 16% agli Stati Uniti, solo al terzo posto. Unica eccezione in questa nuova corsa all’oro è la Tesla, che monta nel nuovo Model S una batteria al litio che si ricarica (parzialmente) in un quarto d’ora e può percorrere fino a 650 km con una ricarica completa.
Conclusione
Le batterie allo stato solido sono il futuro dell’industria automobilistica sia tradizionale che soprattutto elettrica. La realizzazione di batterie più rispettose dell’ambiente, meno pericolose, ma anche più performanti e più facili da gestire farà un’enorme differenza nel mercato dei prossimi dieci-quindici anni.
Al momento si tratta di una corsa ai brevetti e alle ricerche tecnologiche per sperimentare e sfruttare i materiali migliori e le tecnologie di produzione, ma una volta raggiunto quello che si può considerare un nuovo standard nell’accumulo di energia, potremo finalmente dire addio alle vecchie batterie.
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