Le batterie rappresentano il componente che maggiormente incide su prezzo e autonomia di un’auto elettrica e costituiscono da sempre un nodo critico per il suo sviluppo.
Veicoli elettrici, il quadro di mercato
Sebbene l’anno appena concluso abbia segnato una nuova e, in molti casi sostenuta, crescita in tutto il mondo dei veicoli a trazione elettrica, molti rimangono ancora gli ostacoli da superare per una loro affermazione, se non proprio di massa, almeno espressa da quote di mercato a doppia cifra.
In Cina, ad esempio, primo mercato al mondo, pur aumentando le consegne di auto elettriche (incluso le plug-in e quelle ad autonomia estesa) nel 2018 del 61,7% rispetto al 2017, e superando 1,2 milioni di unità vendute, la loro quota mercato è di poco oltre il 5%. (Fonte: Associazione Cinese Produttori di Automobili)
In Europa nei primi nove mesi del 2018 le auto di questa stessa tipologia, a fronte di un incremento delle immatricolazioni del 35% rispetto all’anno precedente, rappresentano solo il 2,1% del totale mercato. Un risultato non dissimile da quello registrato negli Stati Uniti dove la crescita del 47% nell’analogo periodo è valso alle auto alimentate a batteria una quota pari all’1,5% del totale venduto.
Risultati certamente importanti sul piano del trend che sembra aver imboccato l’indirizzo a lungo atteso ma che mostrano come esistano ancora problemi da superare di ordine tecnologico, infrastrutturale e, non ultimo, di interesse istituzionale e politico.
Limitando questa breve disamina ai fattori tecnologici, l’area che mostra maggior criticità è senza dubbio quella degli accumulatori le cui prestazioni, sebbene abbiano segnato un netto miglioramento nel tempo, non hanno ancora colmato il divario con le auto tradizionali in termini di autonomia e conseguente ansia da rifornimento.
Parole chiavi: capacità ed efficienza
Acquistando un’auto elettrica, infatti, uno dei principali fattori preso in considerazione riguarda proprio la capacità e l’efficienza della batteria. Da esse dipendono, in buona parte, le prestazioni del veicolo e, soprattutto, la sua autonomia, vale a dire la strada che si potrà percorrere senza problemi di rifornimento, i tempi d’attesa per la ricarica, la sua durata ed i costi che si dovranno affrontare per l’eventuale sostituzione.
Il parametro che misura l’efficienza è dato dall’energia utilizzata per chilometro e, generalmente, viene espresso in kWh/100 km o, se si preferisce, in km/kWh essendo i due dati relativi al consumo strettamente correlati.
La capacità di una batteria esprime invece la quantità di energia che essa può contenere ed equivale al pieno di carburante nel serbatoio di un’auto tradizionale; il rapporto tra il suo valore ed il consumo indica l’autonomia media teorica del mezzo.
Il grafico, tratto da uno studio americano pubblicato su Insidevs, indica come l’autonomia espressa in miglia varia con la capacità della batteria (kWh) per sette diversi valori di efficienza (miglia/kWh). L’utilizzo delle miglia, secondo l’uso americano, in luogo dei chilometri, non modifica il risultato espresso dal grafico.
Occorre poi considerare che i dati disponibili nelle documentazioni ufficiali delle case costruttrici non sempre aiutano a fare chiarezza sulla loro affidabilità in quanto spesso si tralascia di indicare, ad esempio, la capacità energetica realmente utilizzabile al netto di quella “riservata” per proteggere la batteria dalla sovra scarica.
Altro fattore di grande importanza è poi conoscere la metodologia adottata per il calcolo dei consumi essendo spesso rilevanti le differenze tra il ciclo di guida europeo NEDC, basato su una simulazione di percorso misto urbano/extraurbano oggetto nel tempo di numerose critiche e pertanto destinato ad essere accantonato, e quello americano EPA, più ristrettivo in termini di autonomia media calcolata.
Recentemente è stato introdotto dall’Unione Europea, il Giappone e l’India una nuova procedura di prova dei veicoli leggeri armonizzati a livello mondiale WLTP, più lunga e complessa della precedente, che diventerà il nuovo standard dal 2020, ed il cui valore è compreso tra quello NEDC e EPA.
L’aumento della capacità delle batterie a parità di ingombro è al centro dell’attenzione dei principali player di mercato in modo da poter annunciare maggiori autonomie senza dover modificare sostanzialmente i veicoli. A titolo d’esempio si può citare, a tale proposito, l’azione di BMW che ha recentemente dotato la sua i3 di una nuova batteria ad alto voltaggio (120 Ah) elevandone la capacità lorda a 42,2 kWh, quasi il doppio rispetto a quella del lancio avvenuto nel 2013 che era di 22,6 kWh e superiore anche alla versione presentata solo 2 anni fa equipaggiata con una batteria da 33 kWh. Ciò ha consentito di portare l’autonomia dichiarata ad oltre 285 km (ciclo WLTP) ed avere un consumo energetico combinato di 13,1 kWh per 100 km, con un miglioramento dei valori del 30% rispetto al modello del 2016.
Costi in discesa
Sebbene l’auto elettrica possa vantare una maggiore semplicità costruttiva riscontrabile nell’architettura del suo powertrain rispetto a quella di una vettura tradizionale dotata di un gruppo motore a combustione interna, anche in virtù del minor numero di componenti necessari e da assemblare (i.e assenza di albero di trasmissione, cambio, frizione, marmitta), sul piano dei costi l’incidenza della batteria continua a penalizzarla.
Assumendo come riferimento una batteria al litio, al momento la più diffusa nel panorama produttivo per le prestazioni offerte, il suo attuale prezzo medio al kWh è di 190 dollari (stima studio Bloomberg New Energy Finance), il che vuol dire che per un’auto con batteria da 30-40 kWh, il costo si colloca nel range 6-8.000 dollari ed incide sul prezzo di una vettura media di circa 36.000 euro per oltre il 20%, e sale al 25% se la batteria è da 60 kWh.
Lo studio Bloomberg, basato su un’indagine che ha coinvolto 50 aziende del settore automotive e accumulatori, sottolinea che nel 2010 il prezzo delle batterie al litio era di ben 1.000 dollari al kWh e che in otto anni la discesa è stata a dir poco vertiginosa anticipando ogni previsione. Seguendo questo trend gli analisti della società americana hanno indicato nel 2025 la data in cui potrà essere raggiunto il traguardo dei 100 dollari a kWh.
Traguardo che Envision Energy, colosso cinese dell’energia, che ha recentemente acquistato la fabbrica di batterie di Nissan, ritiene sia possibile raggiungere addirittura nel 2020 mentre il passo successivo sarà scendere a 50 dollari a kWh entro il 2025, come ha affermato Lei Zhang, CEO della società, nel corso del Global Energy Forum alla Stanford University (novembre 2018).
La conferma di queste previsioni porterebbe ad una drastica riduzione del prezzo dei veicoli elettrici che potrebbero così esprimere tutta la loro competitività nei confronti delle auto sia a benzina che diesel.
L’incognita della durata
Unitamente al prezzo, un altro parametro di grande rilievo è la durata nel tempo del pacco batterie che equipaggia l’auto in quanto è diffusa la mentalità che la sua sostituzione rappresenti un fattore critico dietro l’angolo capace di marcare la differenza con le abitudini consolidate dall’uso dei veicoli dotati di motori termici.
A ciò si deve aggiungere la tendenza della clientela potenziale a generalizzare le esperienze negative fatte con l’elettronica di consumo, soprattutto nel campo della telefonia, dove la perdita di efficienza delle batterie porta nel giro di poco tempo ad un inarrestabile degrado delle prestazioni dell’intero device.
I costruttori di auto elettriche stanno dimostrando di aver preso atto anche dell’importanza della componente psicologica ed offrono garanzie lunghe sugli accumulatori in linea sia con il possibile decadimento dei suoi componenti che con il ciclo di vita dell’auto.
Ma cosa si intende per degrado di una batteria e quale è il limite oltre il quale occorre procedere alla sua sostituzione?
Generalmente si assume che una perdita di efficienza del 20%, intesa come capacità di immagazzinare energia e di cederla nell’utilizzo, sia il segnale oltre il quale le prestazioni del veicolo risultano compromesse. In particolare, i tempi di ricarica si allungano e la scarica è sempre più rapida.
Da osservare anche che nella fase iniziale il degrado è piuttosto lento per poi divenire, con il trascorrere del tempo ed il logoramento dei componenti, meno graduale e prevedibile.
Le batterie agli ioni di litio, sono, al momento, quelle che garantiscono di mantenere un’efficienza dell’80% per una durata maggiore, in media 8 anni, rispetto a quelle con tecnologia Nichel Metallo Idruro (Ni-MH) che ancora pochi anni fa equipaggiavano molte auto ibride, come ad esempio la Toyota Prius, per cui il range di sicurezza era di 5 anni.
Le singole case legano inoltre gli anni di garanzia ad un limite di chilometri percorsi, molto variabile in relazione alla capacità della batteria stessa e delle politiche di marketing adottate.
All’orizzonte però si profila già l’ingresso di nuove tecnologie, come quelle che caratterizzeranno le batterie a stato solido per le quali si prevedono durate decisamente superiori e tali da superare ampiamente la vita stessa dell’auto.
Un progetto europeo per agire su costi e prestazioni
In attesa che le numerose e promettenti ricerche in atto sugli accumulatori passino dalla fase sperimentale a quella di produzione industriale, le batterie a ioni di litio rimangono quelle che offrono i maggiori vantaggi, soprattutto in virtù della loro densità energetica molto elevata, rispetto all’attuale offerta di mercato.
Per questi motivi esse sono state recentemente oggetto di uno specifico progetto denominato Spicy, finanziato dall’Unione Europea con circa 7 milioni di euro per lo sviluppo di “una batteria Li-Ion più potente, economica, sicura, leggera, duratura e rispettosa dell’ambiente in grado di soddisfare le esigenze dei conducenti di veicoli elettrici”.
I lavori durati tre anni, come ha sottolineato il responsabile di progetto Willy Porcher, hanno consentito di individuare nello “sviluppo di nuove chimiche e architettura della cella per le batterie Li-Ion, l’unico modo per incrementare la capacità della cella e la densità energetica, che portano entrambe ad una maggiore autonomia del veicolo elettrico”.
Lo studio, grazie alla ricerca di nuovi materiali attivi, all’uso di un solvente più rispettoso dell’ambiente per la fabbricazione ed alla valutazione di quattro diverse architetture della cella, ha posto a disposizione dei costruttori europei di batterie una solida base industriale finalizzata alla produzione di accumulatori in grado di conseguire l’obiettivo di incrementare le prestazioni del 20% e ridurre i costi di fabbricazione del 30%.
Il futuro è nelle batterie a stato solido?
Il prossimo passo nello sviluppo delle batterie Li-Ion è comunque già segnato ed il 2020 dovrebbe essere la data della sua introduzione sul mercato. Parliamo delle batterie a stato solido, ai polimeri di litio, su cui una molteplicità di marchi dell’automotive ha dichiarato di puntare, seppur con differenti tempistiche.
Si va infatti da Toyota, in collaborazione con Panasonic, pronta ad ipotizzare il lancio a brevissimo termine (2020 o più probabilmente 2021-22), all’alleanza Renault-Nissan- Mitsubishi che, pur unendo le forze, ritengono più prudente l’obiettivo del 2030 con ampia possibilità però d’anticipare, passando per BMW che guarda al 2026 per il debutto di un tal sistema d’accumulo, sino a Bosch già da tempo al lavoro sul tema specifico.
Ma in cosa consiste questa nuova e promettente generazione di batterie?
Come suggerisce il termine stesso, esse si basano sulla sostituzione del tradizionale elettrolita liquido con uno allo stato solido, sempre al litio. I vantaggi che si prospettano consistono innanzitutto nell’aumento della densità energetica in modo da incrementare l’autonomia del 50% senza penalizzare né il peso né l’ingombro. E soprattutto senza variazioni di prezzo in quanto i materiali, sia nella situazione liquida che solida, sono gli stessi.
Un ulteriore grande vantaggio è poi quello di contenere il pericolo di surriscaldamento che oggi rappresenta, con il rischio di incendio, un limite per le batterie al litio.
Le batterie al litio allo stato solido presentano anche la caratteristica di poter sopportare ricariche più veloci ed avere una durata nettamente superiore, come precedentemente detto.
A credere nel loro sviluppo concreto sono in molti e tra questi James Dyson, new entry nel settore dell’auto elettrica, ma che ha fatto dell’innovazione il suo maggior punto di forza. Orbene Dyson, prima di annunciare la sua volontà di produrre auto a zero emissioni, aveva acquisito Sakti 3, spin off dell’Università del Michigan, società specializzata proprio nelle batterie allo stato solido.
