Nell’arco di pochi anni si saprà se le batterie utilizzate
nelle vetture elettriche di GM e Nissan sono sicure e affidabili.
di Kevin Bullis
Due nuove automobili elettriche, la GM Volt e la Nissan Leaf, stanno entrando sul mercato alla conquista dei clienti rispettosi dell’ambiente.
La Nissan Leaf si vanta di un’autonomia di quasi 120 km per carica, contro i 56 km di autonomia della Volt che, d’altro canto, è munita di un motore di riserva a benzina per viaggi più lunghi.
GM e Nissan hanno intrapreso due percorsi differenti per garantire la sicurezza e la durata delle batterie delle loro autovetture. Il comportamento di queste batterie nei prossimi due o tre anni consentirà di stabilire quale dei due approcci è migliore, la qual cosa potrebbe incidere sul design delle future auto elettriche e ibride plug-in, alle quali la maggior parte delle case automobilistiche sta lavorando.
Alcuni critici sostengono che il progetto delle batterie sviluppato dalla Nissan, che si affida a un sistema di raffreddamento relativamente semplice, potrebbe provocarne il surriscaldamento, riducendo il ciclo di vita e la stessa sicurezza.
Sia GM sia Nissan utilizzano batterie agli ioni di litio (una tecnologia a lungo adoperata nei computer portatili e nei telefoni cellulari) anziché batterie in nichel-metallo idruro, come quelle utilizzate nella Toyota Prius, che si sono rivelate in verità affidabili, ma anche ingombranti e pesanti. Optando per gli ioni di litio, GM e Nissan hanno deciso di assumersi un certo rischio in quanto, al momento, queste batterie rispondono in modo limitato alle esigenze di alimentazione di un’automobile. Le batterie per automobili devono, infatti, affrontare temperature estreme, brusche scosse, costanti vibrazioni trasmesse dal manto stradale e mantenere buone prestazioni per quasi un decennio.
In alcuni rari casi, le batterie agli ioni di litio possono surriscaldarsi e prendere fuoco, un problema che ha più volte provocato il ritiro di cospicui quantitativi di batterie destinate ai computer portatili.
Le batterie per automobili devono inoltre accumulare molta più energia, sicché un incendio potrebbe avere esiti particolarmente pericolosi. Un altro punto a sfavore delle batterie agli ioni di litio è la rapidità con cui perdono la capacità di mantenere la carica. Dopo un paio di anni di vita, non è insolito che la loro capacità di accumulazione risulti dimezzata. Le case automobilistiche esigono batterie che abbiano un ciclo di vita pari a quello delle vetture, dagli otto ai 15 anni. Per affrontare questo problema, GM e Nissan hanno apportato considerevoli modifiche alle loro batterie. Al posto dell’ossido di litio cobalto – materiale specificamente utilizzato nelle batterie dei computer portatili per la sua elevata densità energetica – come elettrodo, le batterie di GM e Nissan impiegano ossido di litio manganese, che è in grado di accumulare una quantità di energia relativamente elevata, mantenendo però una stabilità superiore, dovuta in parte alla disposizione dei suoi atomi.
In un elettrodo in ossido di manganese, gli atomi assumono una struttura tridimensionale che mantiene la propria forma anche durante l’ingresso e la fuoriuscita degli ioni di litio durante le fasi di caricamento e scaricamento della batteria. La struttura atomica più instabile del materiale utilizzato come elettrodo nelle batterie convenzionali può venire danneggiata dallo spostamento degli ioni di litio, provocando l’accorciamento della vita di una batteria.
GM e Nissan sono inoltre passate dalla forma cilindrica delle batterie a una forma piatta e rettangolare, che consente di risparmiare spazio e favorisce la dispersione del calore. Il surriscaldamento può danneggiare le batterie, ridurne la capacità di accumulare energia e, in alcuni casi, può produrre un fenomeno denominato fuga termica, in cui la temperatura elevata provoca una reazione chimica che produce ulteriore calore fino a scatenare un incendio.
Esaminando i rispettivi blocchi di batteria, ovvero la disposizione delle singole batterie, le componenti elettroniche e l’impianto di controllo della temperatura, spiccano alcune differenze significative nei modelli di GM e Nissan.
La differenza principale sta nel sistema impiegato per controllare la temperatura all’interno dei blocchi. Nissan ha optato per un sistema semplice che consiste in una ventola di raffreddamento. Secondo i tecnici Nissan, la forma piatta delle batterie contribuirebbe in maniera sufficiente al loro raffreddamento. Il sistema sviluppato da GM, invece, facendo uso di un radiatore per diffondere un liquido refrigerante sulla superficie di ciascuna cella all’interno del blocco di batterie, risulta più complesso.
«Oltre a raffreddare le celle più rapidamente», spiega Bill Wallace, direttore del settore batterie di GM, «l’impianto di raffreddamento a liquido risulta più compatto e permette di eliminare una quantità più grande di calore e in maniera più uniforme». Wallace spiega che la scelta del raffreddamento a liquido è stata fatta per assicurare che la temperatura di ciascuna cella non vari di oltre 2 °C rispetto alle celle adiacenti dello stesso blocco. Oltre a prevenire un sovraccarico, «il controllo della temperatura è il fattore più importante per aumentare la vita di una batteria», ci spiega.
La GM prevede che le proprie batterie perderanno dal 10 al 30 per cento di capacità nel corso del ciclo di vita dell’automobile, stimato intorno agli otto, dieci anni. La Nissan non ha dichiarato se farà uso di un sistema simile, ma ha stimato una vita utile delle proprie batterie intorno ai 10 anni, entro i quali dovrebbero perdere intorno al 30 per cento delle loro prestazioni. L’esposizione a elevate temperature potrebbe però incidere più rapidamente sulla loro durata.
