Come funzionano le batterie delle auto elettriche e quali sono i limiti di questa tecnologia

Il primo mezzo leggero a motore capace di trasportare persone risale a un periodo compreso tra il 1832 e il 1839: si trattava di una sorta di auto elettrica! Il motore a combustione fece capolino solo nel 1853 ma, in meno di sessant'anni, si trovò ad essere presente in praticamente ogni veicolo, soppiantando quasi totalmente l'elettrico grazie ad una maggiore autonomia. Ma per quale motivo allora è nato nuovamente l'interesse verso una mobilità elettrica? Quali sono le caratteristiche e i limiti delle batterie odierne?

Come è fatta una batteria per auto?

Per fare un'analogia con le pile stilo che troviamo nei nostri apparecchi mobili di uso comune (radio, telecomandi, giocattoli, ecc.), le batterie per automobili, in prima approssimazione, non sono altro che l'unione di tantissime pile stilo tra loro. Immaginate di dover "cambiare le pile" ad un'auto elettrica: alzate il coperchio del vano batterie e vi trovate con migliaia di batterie stilo da sostituire; e attenzione alla polarità!

Una batteria è l'unione di elementi base, chiamati celle (le pile stilo del nostro esempio sopra) che vengono unite in gruppi tra loro a formare i moduli. L'unione di più moduli forma la batteria. Per garantire la sicurezza e il contenimento di tutte queste celle, la batteria viene sigillata all'interno di involucri metallici molto resistenti agli impatti, rendendo le batterie impermeabili all'acqua e impendendo la fuoriuscita di sostanze tossiche o l'innesco di incendi in caso di impatto. Per sostituire la batteria di una automobile elettrica non c'è bisogno di sostituire ogni singola cella, basta sostituire l'intero pacco contenente tutte le celle.

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Perché ci vuole così tanto tempo per caricare la batteria di un’auto elettrica?

Il principio di funzionamento

Il principio fisico che sta alla base delle batterie è la reazione chimica di ossidoriduzione: caratteristica di questa tipologia di reazione è lo scambio di elettroni che si genera per unione tra due specie chimiche che, se canalizzata nel modo corretto, genera una corrente elettrica. La corrente elettrica si ottiene generando 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 movimento di elettroni avviene all'interno di una sostanza chiamata elettrolita che può essere sia liquida che solida. Questo flusso di elettroni è reversibile, ciò vuol dire che se il flusso viene invertito è possibile ricaricare la batteria!

In base alle specie chimiche che compongono anodo e catodo (ma anche a seconda dei fluidi dell'elettrolita) si distinguono una grande varietà di batterie, ognuna con caratteristiche, capacità di immagazzinare energia e prestazioni differenti. Giusto per citarne alcune: batterie a base di piombo; batterie in Nichel idruro metallo (NiMh) o quelle agli ioni di Litio; per ognuna di queste categorie esistono una miriade di combinazioni anodo-catodo. Quelle più utilizzate in ambito automotive, per prestazioni ed efficienza, sono quelle agli ioni di litio.

Dal punto di vista prestazionale una batteria si può categorizzare invece in base a tre parametri principali: la capacità di immagazzinare energia (espressa in kilowattora); la quantità di elettroni che possono essere erogati o immagazzinati nell'unità di tempo (ovvero la corrente, espressa in Ampere), e la forza con cui questi elettroni sono "spinti" (ovvero la tensione, espressa in Volt).

I limiti delle batterie

Quando si parla di auto elettriche vengono solitamente citati in causa tre limiti: autonomia, peso e prezzo.

Autonomia

Storicamente uno tra i principali argomenti di discussione sulla mobilità elettrica è quello relativo alla limitata autonomia che i veicoli elettrici possiedono per via delle batterie. Queste, rispetto ai carburanti tradizionali derivati da fonti fossili, riescono a dare un contributo energetico a pari peso nettamente inferiore: di conseguenza, a livello teorico, per garantire un'autonomia in km degna di un'auto a motore termico bisogna avere un pacco batterie molto grande sia in termini di volume che di massa. In realtà ad oggi questo aspetto tecnico sembra essere quasi superato, o comunque in via di risoluzione. Grazie alla ricerca si stanno facendo passi da gigante: in commercio esistono già automobili elettriche con autonomie dichiarate che vanno dai 400 ai 1000 km per ricarica: praticamente nello scontro con le auto a motore termico siamo alla pari.

Peso

Anche il peso, essendo una caratteristica che dipende strettamente dalla capacità della batteria, è un aspetto che per certi versi può ritenersi superato o comunque controllato; la ricerca punta proprio a massimizzare la capacità specifica della batteria per unità di peso. Le batterie – e di conseguenza l'intero veicolo – sono particolarmente pesanti, è vero, ma se provate a rapportare il peso con un'automobile termica di medesimo segmento e prestazioni il rapporto non è poi così sbilanciato.

Prezzo

Arriviamo ora al nervo scoperto: il costo di una batteria. Questa incide sul costo dell'intero veicolo tra il 25 e 40%… ma perché costa così tanto? I materiali utilizzati per costruire anodo e catodo di una cella come cobalto, nichel e lo stesso litio sono elementi difficili da estrarre e trattare, con conseguenti costi di vendita sul mercato piuttosto alti. Il modo per rendere contenuto il prezzo di queste materie prime sicuramente è lo sfruttamento di grosse economie di scala. Tesla, ad esempio, ha creato le gigafactory, enormi complessi industriali dove vengono autoprodotte le batterie installate nelle proprie automobili dove alti costi e volatilità della materia prima possono essere bilanciati da una produzione di serie automatizzata. Altro ruolo fondamentale, determinante nel costo dei materiali, è giocato dalla geopolitica. Senza entrare troppo nel merito, basti pensare che due terzi di tutto il cobalto estratto nel mondo proviene dalle miniere della Repubblica democratica del Congo, le cui concessioni minerarie per l'estrazione sono in mano principalmente ad aziende cinesi.

E lo smaltimento?

Riagganciandosi al punto precedente, vale la pena però spezzare una lancia a favore delle batterie: un grosso punto di forza (se sfruttato appieno) è che possono essere riciclate quasi completamente. Il riciclo e l'economia circolare sono in grado di porre potenzialmente un enorme freno allo sfruttamento incontrollato delle risorse. Una seria diffusione di una filiera per il recupero dei preziosi minerali, sostenuta dalla normativa proposta dalla Commissione europea pone come obiettivi per il 2030 il recupero del 70% del litio e del 95% di tutte le altre materie contenute nelle batterie. Per avere un'idea della trasformazione in termini numerici a cui la produzione di batterie andrà incontro, si consideri che a fronte dell'odierno mancato recupero di circa 43 kg di metalli preziosi per ogni auto elettrica rottamata, fra poco meno di 10 anni questa dispersione non dovrà superare i 2 kg.