Batterie auto elettriche: tutto quello che c’è da sapere

Come sono fatte, come funzionano, quanto durano e come si ricaricano le batterie delle EV

Vero cuore dell’auto elettrica, la batteria è l’elemento più importante, complesso e costoso di tutto il veicolo. Non rappresenta, infatti, soltanto la riserva energetica, ma un vero e proprio organo vitale con una tecnologia in costante evoluzione, molte caratteristiche e regole da osservare.

Di seguito un piccolo vademecum con un riepilogo di tutto ciò che ruota attorno alla batteria, anzi, alle batterie, e le cose più importanti che è utile sapere per utilizzarla al meglio.

Cos’è la batteria e che ruolo ha

La batteria è vista come una sorta di serbatoio in cui immagazzinare l’energia necessaria a far muovere l’auto, ma in realtà è molto più di questo. Anche se la spinta arriva dal motore, le prestazioni di quest’ultimo sono influenzate direttamente dalla batteria e dalla sua capacità di erogare l’energia. Quindi, si può dire che in realtà il vero “motore” dell’auto elettrica sia proprio la batteria.

Come funziona la batteria

Alla base del funzionamento della batteria c’è un processo chimico. La corrente elettrica infatti si ottiene generando un un flusso di elettroni tra due poli, uno che li cede per ossidazione chiamato anodo, e uno che li riceve per riduzione chiamato catodo. Il flusso si muove tra i due poli in un ambiente chiamata elettrolita, tradizionalmente liquido anche se oggi sono allo sviluppo elettroliti in materiale solido.

In ricarica accade il contrario: il flusso energetico in ingresso nella batteria si muove dal catodo verso l’anodo “restituendogli” gli elettroni. Questo processo avviene in ogni singola cella. Le celle sono i componenti di base della batteria: un certo numero di celle forma un modulo, e dall’unione di più moduli hanno origine le diverse batterie, la cui capacità totale è il risultato della somme di quelle individuali delle celle.

Come si misurano le prestazioni della batteria

Il primo dato che si prede in esame per valutare le prestazioni di una batteria è la sua capacità, ossia la quantità di energia che può immagazzinare espressa in kWh (chilowattora), ma contano anche il modo e la rapidità con cui la immagazzina e soprattutto la eroga al motore. Queste caratteristiche sono espresse da voltaggio e amperaggio.

• Capacità: viene espressa in kWh, che corrispondono alla quantità di kW (l’unità di misura della potenza, non solo elettrica) che la batteria è in grado di trasmettere oppure immagazzinare in un’ora. Per fare un esempio, una batteria da 50 kWh può far funzionare un motore da 50 kW alla massima potenza per un’ora, o uno da 100 kW per mezz’ora. Allo stesso modo, con un impianto di carica da 50 kW servirà un’ora per una ricarica mentre con uno da 100 kW basterà soltanto mezz’ora. Il kWh è usato anche come base per calcolare il consumo, e quindi l’efficienza, di un veicolo elettrico, espresso in km/kWh oppure in kWh/100 km.
• Amperaggio: espresso in Ampere, è la quantità di energia che può essere trasmessa in un secondo.
• Voltaggio: espresso in  Volt, corrisponde alla forza, dunque alla rapidità, con cui una quantità di energia apri a 1 Ampere viene trasmessa.

Dunque, è facile comprendere come all’aumentare di voltaggio e amperaggio la batteria risulti più potente (anche in ricarica) perché il flusso di corrente che entra o esce sarà maggiore per volume e intensità.

Cosa sono la capacità nominale e quella effettiva?

Siccome la carica, specie quella ad alta potenza o “fast”, e la scarica sono processi che a lungo andare logorano i componenti e fanno decadere le prestazioni della batteria, la capacità effettivamente sfruttata non è mai quella massima che sarebbe raggiungibile, ma è limitata elettronicamente a un valore un po’ più basso.

Normalmente, si tende a lasciare un margine che può andare dal 5% al 12-15% circa di capacità non utilizzata ed è un dato che molti costruttori dichiarano in partenza. Ad esempio, su una Audi e-tron , la batteria ha una capacitò nominale di 95 kWh mentre quella effettiva è stata inizialmente limitata 83,5 kWh e poi portata a 86,5 kWh con l’ultimo aggiornamento del software di gestione.

Quanti tipi di batterie ci sono

I tipi di batterie si distinguono per la loro composizione chimica, ossia dai materiali, principalmente metalli per anodo e catodo ma anche i fluidi dell’elettrolita, che le compongono. Inutile dire che sono in continua evoluzione.

Le batterie più tradizionali erano a base di piombo, poi sostituite da quelle an Nichel idruro metallo (NiMh) e poi da quelle agli ioni di Litio, ma ci sono diverse varianti anche di queste. Inoltre, sono allo studio altri materiali per eliminare le cosiddette terre rare, costose e inquinanti da estrarre e smaltire, come il cobalto e lo stesso litio, e sostituirli con vari polimeri sintetici e persino la ceramica per gli elettroliti solidi.

Come “invecchia” la batteria

Il decadimento delle batterie dipende dall’usura del rivestimento di anodo e catodo (soprattutto del primo) che con il tempo riducono la capacità di accumulo. Questo non compromette le prestazioni come la potenza erogata, che rimangono costanti nel tempo, ma soltanto la capacità.

Quanto dura la batteria di un’auto elettrica

L’usura della batteria è correlata al numero di cicli di carica e scarica che questa deve affrontare. I produttori ne danno una stima indicativa che si basa sulla percorrenza media che una batteria può assicurare con una carica completa, in questo modo calcolano che la batteria possa assicurare una certa percorrenza prima che le sue prestazioni di riducano in modo rilevante.

Questa soglia di solito è fissata, a seconda del produttore, tra il 70% e l’80% della capacità effettiva iniziale. Sotto questo livello la batteria non è più considerata utilizzabile per alimentare un veicolo, anche se può essere riutilizzata come accumulatore statico per gruppi di continuità e impianti simili.

La maggior parte delle batterie in commercio sono oggi garantite per 8 anni o 160.000 km, anche se qualche costruttore dà copertura di chilometraggi maggiori, fino a 200.000 o 240.000 km sempre negli 8 anni, mentre qualcuno (come Fisker) annuncia una garanzia di 10 anni o 160.000 km.

In sintesi, ciascun costruttore garantisce che nell’arco di quel periodo o di quel chilometraggio la capacità della batteria non scenderà sotto la soglia limite indicata.

Come funziona la ricarica delle auto elettriche

Come già detto, la ricarica non fa altro che “ricaricare di elettroni” l’anodo di ogni cella della cella batteria. La batteria funziona sempre in corrente continua, sia quando si carica sia quando cede energia, anche se alcuni motori così come le fonti energetiche, a bassa potenza, tra cui gli impianti domestici, utilizzano corrente alternata.

Per questo occorrono i cosiddetti “trasformatori” che convertono la corrente da continua ad alternata per alimentare dispositivi e motori, e al contrario da alternata a continua per caricare la batteria quando la fonte è a bassa potenza.

I caricatori di bordo sulle auto, ma che fanno parte del sistema di ricarica, servono a questo. Se però la fonte è ad alta potenza in corrente continua, come le colonnine “fast” da 50 kW in poi, la ricarica è “diretta” e non passa per il caricatore/trasformatore.

Batterie auto elettriche, la sicurezza

Il primo sistema di sicurezza della batteria, per quanto sembri strano, è il suo sistema di raffreddamento, o per meglio dire di gestione termica. Essendo attraversati da corrente elettrica, infatti, i componenti della batteria tenderebbero a scaldarsi, e in condizioni di particolare stress come uso intenso, elevata potenza (come con le ricariche fast) si potrebbe rischiare un surriscaldamento.

Per questo, le batterie sono raffreddate in vari modi, ad aria per i sistemi più semplici e a liquido per quelle più grandi e sofisticate. Il sistema di gestione termica però non provvede soltanto a raffreddare le batterie, ma anche a scaldarle se occorre. Questo non avviene soltanto in presenza di basse temperature esterne, ma anche in preparazione alla ricarica. La temperatura d’esercizio infatti è uno degli elementi che rendono le batterie più efficienti.

Per questo, alcuni modelli (Tesla, ma non soltanto) dotati di connessione con la rete di ricarica e prenotazione della stessa, dialogano con il navigatore e provvedono a pre-riscaldare la batteria in modo che al momento della carica sia alla temperatura ideale. Questo rende la carica più efficiente e contribuisce a far durare di più la batteria.

Passando agli altri dispositivi di sicurezza, la batteria è solitamente avvolta da un guscio protettivo in metallo o altro materiale che protegge le celle in caso di urto, evitando che la loro rottura e il versamento degli acidi dell’elettrolita possa innescare incendi o rilasciare sostanze tossiche.

A questo si aggiungono dispositivi che interrompono immediatamente l’attività elettrica e i flussi di corrente in caso di urto. Di recente, sono stati studiati delle sorte di piccoli staccabatteria che funzionano con micro-cariche esplosive per distruggere e isolare i contatti elettrici.

La batteria si può riciclare?

Sostanzialmente sì: il problema dello smaltimento delle batterie è stato una delle preoccupazioni maggiori legate all’avvento dell’elettrificazione, perché molti componenti, dagli elettroliti ai metalli, erano considerati non recuperabili e altamente inquinanti. Tuttavia, come sempre accade, con lo sviluppo di una specifica industria le soluzioni si trovano.

Esistono infatti già diverse procedure per recuperare oltre il 90% dei materiali delle batterie, processi inizialmente costosi ma che si stanno progressivamente ridimensionando man mano che viene sviluppato il processo su larga scala.

Ci sono inoltre anche altre soluzioni, come la costruzione modulare a elementi separati che consente di sostituire, appunto moduli o singole celle in caso di guasto, evitando di doverle sostituire in blocco (operazione tradizionalmente costosa).

Ulteriore possibilità è quella della rigenerazione delle celle stesse, attraverso un processo che permette di dare agli anodi un nuovo rivestimento e riportarlo alla capacità inziale di generare corrente.

Infine, non dimentichiamo  che, come accennato in precedenza, le batterie non più utilizzabili sulle auto possono trovare altri impieghi, e rendersi utili ancora per diverso tempo, prima di esaurire del tutto la loro funzione ed essere avviate al riciclaggio.