Batterie per auto elettriche, tutto quello che c'è da sapere

Non ci è ancora chiaro cosa succederà effettivamente in questo fantomatico 2035. Dodici anni sul calendario, che se visti dal punto di vista dello sviluppo tecnologico significano praticamente domani. Quello che è chiaro è l’obiettivo: ridurre il più possibile le emissioni di agenti inquinanti e di anidride carbonica, nel più breve tempo possibile.

Attualmente, la tecnologia che sembra essere più promettente per il raggiungimento dell’obiettivo è quella dei veicoli con propulsione elettrica. Efficienti, silenziosi e, soprattutto, a zero emissioni di anidride carbonica (considerando chiaramente le sole emissioni prodotte strettamente dal veicolo). Come tutte le tecnologie, anche l’elettrico ha degli svantaggi. Primi tra tutti ci sono sicuramente autonomia e tempi di ricarica, entrambi aspetti legati quindi ai sistemi di accumulo.

Le automobili con propulsore elettrico non sono certamente un’invenzione di ultima concezione. Le prime auto elettriche, infatti, risalgono ai primi anni del ‘900. Tra tutte, vale la pena ricordare la Jamais Contente. Progettata dall’ingegnere francese Camille Jenatzy, il 29 aprile del 1899 il suo veicolo elettrico “a forma di razzo” raggiunse la velocità massima di 105,88 km/h, infrangendo per la prima volta il muro dei 100 km/h. Quindi per quale motivo negli anni a venire la tecnologia elettrica non ha preso piede, lasciando posto alla piena espansione dei motori a combustione interna? La risposta principale a questa domanda è data dalla differenza sostanziale che c’è tra le batterie al litio e la benzina, in termini di quella che viene chiamata “densità energetica”.

La densità energetica è una grandezza che esprime la quantità di energia che è possibile accumulare per ogni kilogrammo di un dato sistema (nel nostro caso i due sistemi ai quali ci riferiamo sono la benzina e le batterie). Le classiche batterie al litio hanno una densità energetica che varia tra 0,54 e 0,72 MJ/kg (l’unità di misura si legge mega-Joule su kilogrammi, ovvero una misura di energia per unità di massa), contro una densità energetica della benzina di 47 MJ/kg. Da questa netta differenza vengono giustificati sia il perché del netto sviluppo dei motori a combustione interna che il motivo della grande ricerca attuale mirata a migliorare la densità energetica delle batterie.

Quali sono e come sono fatte le batterie per le auto elettriche?

Le batterie impiegate nella grande maggioranza dei veicoli elettrici sono le cosiddette batterie agli ioni di litio. La stessa tipologia di batterie che viene utilizzata nella maggior parte dei dispositivi elettronici portatili, come ad esempio gli smartphone. Il nome deriva dal fatto che all’interno di queste batterie viene utilizzato un sale a base di litio come soluzione elettrolitica, generalmente il sale elettrolita è esafluorofosfato di litio (formula chimica LiPF6 ). Ma facciamo un passo indietro. Cos’è una soluzione elettrolitica? E più in generale, qual è il principio chimico alla base del funzionamento di una batteria? Innanzitutto, una batteria (detta anche pila chimica) è un dispositivo che converte l'energia chimica in energia elettrica con una reazione di ossido-riduzione. Un insieme di più celle disposte in serie e/o parallelo (per aumentare i valori rispettivamente di tensione ai capi e/o corrente erogabile) prende comunemente il nome di pacco batteria.

Una cella di una batteria è composta da due elementi principali, denominati anodo (-) e catodo (+). Anodo e catodo sono costituiti semplicemente da due lamine metalliche, immerse in una sostanza liquida, detta soluzione elettrolitica, che permette alla reazione di ossido-riduzione di avvenire. Mentre l’anodo è generalmente composto da grafite, differenti materiali contenenti litio sono utilizzati per il catodo – Ossido di Litio e Cobalto oppure Litio Nickel Manganese Cobalto. Durante la scarica della batteria, gli ioni di litio si spostano dall’anodo al catodo grazie alla soluzione elettrolitica. In risposta al movimento degli ioni (cariche positive) si avrà anche un movimento di elettroni (cariche negative) che andranno ad alimentare l’applicazione alla quale la batteria è connessa.

Chi sono i principali produttori di batterie?

Il litio è spesso soprannominato “l’oro bianco” dei veicoli elettrici. I metallici leggeri, come appunto il litio, giocano un ruolo chiave nella produzione delle auto elettriche. In accordo con la recente crescita della domanda di veicoli elettrici, la richiesta di litio è in costante aumento. Nel corso di 25 anni, si è passati da una richiesta globale di 9.5mila tonnellate alle 106mila tonnellate prodotte nel 2021. Di queste, 55.4mila tonnellate provengono dall’estrazione mineraria in Australia, 26mila tonnellate sono ottenute dai salar in Cile e 14mila tonnellate dalla Cina. Il 74% del litio estratto a livello globale, viene impiegato nella realizzazione di batterie.

Quanto costa sostituire una batteria agli ioni di litio?

Sostituire un pacco batterie in un veicolo elettrico non è una cosa molto frequente, siccome la maggior parte dei costruttori garantiscono le batterie fino ad 8 anni oppure 150 mila chilometri. Questo significa che nel caso vi capiti di dover sostituire il pacco batterie a causa di un qualche sfortunato evento, probabilmente la sostituzione sarà coperta ed effettuata in garanzia. È importante però controllare il tipo di garanzia offerta da ogni costruttore. Per quanto riguarda i costi, per una batteria da 40 kWh si è passati da un costo di circa 10 mila euro del 2016, ad una cifra stimata di 4 mila euro per il 2030.

Riciclaggio e smaltimento delle batterie

Vari produttori stanno cercando il modo migliore per riutilizzare le batterie una volta che queste non sono più utilizzabili sulle automobili. Le batterie, una volta rimosse dai veicoli, sono spesso sfruttate come accumulatori di energia nella rete elettrica o nelle abitazioni. Quando però raggiungono la fine della loro vita utile, esse devono essere riciclate (per quanto possibile) e smaltite. Il riciclaggio include la separazione dei materiali ad alto valore, come il cobalto e i sali di litio, l’acciaio inossidabile, il rame, l’alluminio e alcune plastiche. Attualmente, soltanto il 50% dei materiali contenuti in una batteria di un veicolo elettrico viene riciclato. La ricerca però si sta muovendo proprio per aumentare questa percentuale, con una recente notizia da parte di Volkswagen che annuncia il progetto di un impianto per il riciclaggio delle batterie con lo scopo di raggiungere l’ambizioso obiettivo del 97% di componenti riciclati.

Che impatto ambientale ha la produzione delle batterie?

L’impatto ambientale, considerando tutto il ciclo di vita delle batterie, non è assolutamente basso. L’estrazione del litio è un processo molto energivoro che, in particolare, usa grandi quantità di acqua. Le attività cilene, considerate le più efficienti, impiegano 500 mila galloni di acqua per una tonnellata di litio. In pratica, per ottenerne un chilo servono circa duemila litri di acqua. Parlando invece del processo di estrazione mineraria, si stima che, per ogni chilo di idrossido di litio, vengano emessi dai 5 ai 16 chili di anidride carbonica.

Per quanto riguarda lo smaltimento, le batterie agli ioni litio contengono vari metalli (cobalto, nichel, manganese) che sono tossici e possono contaminare le falde acquifere. Il grande costo ambientale è quindi dato dall’attuale bassa frazione di materiali riciclati combinata con un inappropriato smaltimento dei rimanenti.