Batterie

Detto in termini semplici, una batteria è composta da quattro componenti principali: catodo (polo negativo), anodo (polo positivo), separatore ed elettrolita. Tra i due poli si trovano elettroliti liquidi. Permettono agli ioni tra l’anodo e il catodo di muoversi avanti e indietro – a seconda se in quel momento la batteria viene caricata o si sta scaricando. Le batterie utilizzate per le auto elettriche vengono chiamate anche accumulatori ad alta tensione, batterie di trazione o batterie a ciclo. Sono composte da diverse batterie singole collegate tra loro, che a loro volta consistono in celle galvaniche o blocchi di celle collegati in serie o in parallelo. La batteria di trazione della maggior parte delle auto elettriche fornisce una tensione di 400 volt. Nella Porsche Taycan si arriva addirittura a 800 volt.

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Tipi di batterie

Le batterie per auto elettriche devono essere da un lato il più possibile piccole e leggere, dall’altro anche potenti e durevoli. Per questo motivo, nelle moderne auto elettriche vengono utilizzate principalmente batterie agli ioni di litio e raramente batterie ai polimeri di litio. Nelle batterie agli ioni di litio viene utilizzato elettrolita liquido, mentre nelle batterie ai polimeri di litio gel di polimero plastico. A differenza di altre batterie, queste ultime presentano la maggiore densità di energia. Per ogni chilo di peso netto, queste batterie sono in grado di immagazzinare la massima quantità di energia. Presentano inoltre un autoscaricamento ridotto, quando ad esempio un’auto elettrica non viene guidata per un periodo prolungato.

L’antesignana della batteria agli ioni di litio è considerata la batteria nichel-cadmio. Anche se quest’ultima è resistente, sopporta meglio gli sbalzi di temperatura e si carica più velocemente, a causa del suo impatto ambientale negativo non viene più utilizzata nelle auto. Il cadmio è un metallo pesante nocivo per l’ambiente. Inoltre, le batterie nichel-cadmio vanno ricaricate solo quando sono completamente scariche, il che non è l’ideale per le auto elettriche. Infine, il tasso di autoscaricamento delle batterie nichel-cadmio è relativamente alto.

Come in ogni auto con motore a combustione, anche nelle auto elettriche è montata una piccola batteria da 12 volt che aiuta ad avviare il motore elettrico e fornisce l’elettricità per la chiusura centralizzata, le luci interne, gli strumenti e il servosterzo. In molte auto elettriche i costruttori utilizzano batterie al piombo con caratteristiche costruttive identiche a quelle utilizzate sui modelli con motore a combustione. Nelle auto elettriche di classe superiore, al posto delle batterie al piombo si incontrano sempre di più le batterie litio-ferro-fosfato.

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Vantaggi e svantaggi della batteria agli ioni di litio

Panoramica dei vantaggi e degli svantaggi della tecnologia agli ioni di litio:

Vantaggi
+ elevata densità di energia
+ lunga durata
+ peso ridotto

Svantaggi
– costi di produzione elevati
– gestione della batteria dispendiosa
– infiammabile
– raffreddamento necessario
– estrazione delle materie prime discutibile

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Produzione

La mobilità avrà sempre un impatto sull’ambiente. Si tratta quindi di ridurre e contenere il più possibile le fonti d’inquinamento per l’uomo e l’ambiente. Per produrre automobili occorrono energia e materie prime. Nelle auto elettriche, al centro di questo processo vi è la produzione delle batterie, per cui oltre a nichel e manganese occorrono anche cobalto e litio. Il cobalto, un metallo di colore grigio argento brillante caratterizzato da durezza, resistenza e tenacia, viene estratto per circa due terzi nella Repubblica Democratica del Congo, in parte anche in condizioni di lavoro non dignitose e da bambini. Nel 2020 sono arrivate dalla Repubblica Democratica del Congo 95 000 tonnellate di cobalto. Il secondo produttore mondiale è stata, con un forte distacco, la Russia (6300 tonnellate), seguita dall’Australia (5700 tonnellate).

Arrivare a un’estrazione sostenibile nella Repubblica Democratica del Congo, paese in via di sviluppo, è una sfida che richiederà anni. Il gruppo Volkswagen partecipa a iniziative per la sostenibilità lungo l’intera catena di creazione del valore, come ad esempio la Responsible Minerals Initiative (RMI) o la Global Battery Alliance del Forum economico mondiale. A queste si aggiungono direttive e verifiche interne lungo la catena di fornitura, che vengono facilitate dalla maggiore trasparenza resa possibile dall’acquisto diretto del materiale.

La RMI sta lavorando allo sviluppo di un sistema di certificazione per la fusione del cobalto con l’obiettivo di migliorare le condizioni di estrazione e rendere tracciabile la provenienza del materiale. A tal fine, il gruppo di lavoro Drive Sustainability sviluppa sistemi di monitoraggio standardizzati ed eventi di formazione sulla sostenibilità destinati ai fornitori.

Della massima importanza è anche la sostanziale riduzione della percentuale di cobalto nelle batterie agli ioni di litio. Dall’attuale percentuale del 12–14 percento del peso del catodo, entro il 2023/2025 tale percentuale di materia prima dovrebbe scendere al 5 percento. Volkswagen sta lavorando anche allo sviluppo di celle delle batterie completamente prive di cobalto.

Maximilian Fichtner, professore ed esperto di tecnologia delle batterie presso l’Università di Ulm e l’Istituto di tecnologia di Karlsruhe, ritiene possibile – oltre che indispensabile – l’abbandono completo del cobalto: «Non solo a causa della problematica legata ai diritti umani, ma anche per le riserve limitate.» Una valida alternativa sarebbe già disponibile: il litio-ferro-fosfato. «Questo materiale è conveniente, disponibile in modo sostenibile e non tossico», afferma. Anche il cosiddetto spinello di manganese potrebbe essere un’opzione.

Il litio viene ricavato per evaporazione prevalentemente dai laghi salati del Sud America, soprattutto in Cile, Argentina e Bolivia. La sua produzione presenta degli aspetti problematici: per ottenerlo si utilizzano le falde acquifere, il che potrebbe portare alla disidratazione dei terreni limitrofi. Questa problematica colpisce molte popolazioni indigene. Secondo vari esperti, non è però chiaro se e come la siccità ha effettivamente a che fare con l’estrazione del litio. Una cosa però è chiara: per estrarre il litio non viene utilizzata acqua potabile. Per Maximilian Fichtner finora non esiste un sostituto convincente del litio. «Tuttavia non vedo alcuna criticità nella situazione in quanto le riserve mondiali di litio dureranno molto più a lungo di quelle di cobalto», spiega. Per ricavare il litio dai laghi salati esistono assolutamente delle alternative, ad esempio l’estrazione metallurgica. Inoltre, tutti i fornitori di litio di Volkswagen sono obbligati contrattualmente a rispettare elevati standard sociali e ambientali.

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Batteria allo stato solido

Le batterie allo stato solido vengono considerate il futuro dell’elettromobilità: infatti, hanno all’incirca il doppio dell’autonomia e sono molto più sicure rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Anche queste super-batterie in realtà sono batterie agli ioni di litio, ma senza elettrolita liquido. Per questo motivo non si esauriscono e difficilmente prendono fuoco. Di conseguenza vengono meno gli oneri finanziari per la loro protezione e la gestione termica. Perciò le batterie allo stato solido sono più leggere e più convenienti. Un altro punto a favore: si ricaricano molto più velocemente rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio – in circa metà del tempo.
Insieme al partner statunitense Quantumscape, Volkswagen ha il progetto di costruire il proprio stabilimento per la produzione di batterie allo stato solido a Salzgitter.

Vantaggi e svantaggi della batteria allo stato solido:
+ sicura
+ autonomia
+ niente liquido, non infiammabile
+ non si scarica
– intensità di corrente bassa
– anche qui viene utilizzato ancora il litio, l’aspetto ambientale negativo permane

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Impatto ambientale

Su incarico del think tank tedesco «Agora Verkehrswende», nel 2019 l’Institut für Energie- und Umweltforschung (Istituto di ricerca sull’energia e l’ambiente) di Heidelberg ha condotto lo studio «Bilancio ambientale di trazioni e carburanti elettrici». Lo studio ha messo a confronto batterie, celle a combustibile ed e-fuel. Di seguito i principali risultati emersi dall’indagine:

•    Affinché i bilanci climatici di trazioni e carburanti basati su elettricità diano risultati comparabili e attendibili occorre garantire chesi parta dagli stessi presupposti per la messa a disposizione di energia.

•    Nel bilancio climatico di un veicolo a celle a combustibile azionato con idrogeno prodotto elettrolicamente da mix energetico tedesco, le emissioni di gas serra sono superiori del 75 percento rispetto a un veicolo a batteria della capacità di 35 kWh. Nel confronto con un veicolo a batteria da 60 kWh con guida solamente in autostrada, le emissioni sono superiori del 56 percento.

•    Bilancio climatico: In un veicolo con motore a combustione azionato con carburanti liquidi basati su elettricità da mix energetico tedesco, le emissioni di gas serra sono di circa tre volte superiori rispetto a un veicolo a batteria da 35 kWh.

•    Affinché l’idrogeno o i carburanti basati su elettricità diano un contributo alla protezione del clima nel traffico, occorre assicurarsi che nella loro produzione vengano impiegati esclusivamente energia eolica o solare da capacità supplementare.

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Riparazione

Il gruppo Volkswagen offre una garanzia di otto anni o 160 000 km sulla batteria ad alto voltaggio di un veicolo elettrico. La maggior parte delle batterie sopravvive alla vita di un’auto per diversi anni. Se tuttavia dovesse verificarsi un guasto, è possibile eseguire una diagnosi dei componenti interessati e sostituirli singolarmente. Non è necessario quindi cambiare l’intero pacco batteria. I lavori su batterie ad alto voltaggio vengono eseguiti presso punti d’appoggio specializzati da un esperto dell’alta tensione (HVE) con speciali dispositivi di protezione.

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Second Life / Re-Use

L’estensione della durata di una batteria svolge un ruolo centrale in relazione alla sostenibilità ambientale dell’elettromobilità. In primo luogo, le batterie devono essere riparate o trattate, oppure destinate a progetti second life per un riutilizzo completo. Così, all’interno del gruppo Volkswagen si stanno portando avanti vari progetti di grandi sistemi di accumulo second life, in cui numerose batterie usate di veicoli vengono unite per dar vita a batterie enormi, sia negli stabilimenti Volkswagen che in progetti di collaborazione con società di distribuzione e città. Tali ulteriori impieghi permettono di prolungare notevolmente la vita utile delle batterie.

Oltre al re-use, ovvero il riutilizzo in ambiti esterni ai veicoli, c’è anche il remanufacturing. Con la sostituzione di alcuni componenti, le batterie usate vengono riparate per essere riutilizzate nell’auto elettrica. In alternativa, anche in questo caso le batterie possono essere disassemblate in singoli moduli per poterle poi reimpiegare in accumulatori stazionari.

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Riciclaggio

Cosa succede alle batterie quando raggiungono il termine del loro ciclo di vita? Il reparto «Ricerca e sviluppo» del gruppo Volkswagen ha trovato una soluzione di riciclaggio e l’ha resa disponibile per la produzione in serie insieme a Volkswagen Group Components. Si tratta di una procedura innovativa e sostenibile per il riciclaggio delle batterie, che ora viene impiegata per la prima volta in un impianto pilota presso lo stabilimento tedesco di Salzgitter. L’obiettivo è riciclare oltre il 90 percento della batteria e reimmettere nel ciclo produttivo preziose materie prime quali cobalto, nichel, manganese o litio. In Svizzera è ipotizzabile una soluzione a livello nazionale.

Vengono riciclate soltanto le batterie che non potrebbero essere assolutamente utilizzate in altro modo. Prima infatti si verifica se le batterie siano ancora in uno stato abbastanza buono da permettere loro una seconda vita in accumulatori di energia mobili, come colonnine di ricarica rapida flessibili o robot di ricarica. In questo modo si prolunga sensibilmente la loro durata di utilizzo.

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Bilancio ecologico: un aiuto per decidere quale auto acquistare

 

L’Istituto Paul Scherrer ha sviluppato il tool digitale «Carculator», che permette di mettere a confronto il bilancio ecologico delle autovetture. Il programma calcola il bilancio ecologico di veicoli con diversi tipi di trazione e lo visualizza in grafici comparativi. Nel farlo tiene conto dell’intero ciclo di vita delle autovetture, compreso il loro processo di costruzione e le emissioni con un impatto ambientale durante la guida. Non vengono però considerate eventuali misure e compensazioni di CO2 dei costruttori nella produzione – come ad esempio gli sforzi di Volkswagen AG per fornire ai clienti l’ID.3 a zero emissioni di CO2

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