Tutto quello che vuoi sapere sulle batterie dei veicoli elettrici

La velocità, il chilometraggio, la coppia e tutti questi parametri vitali di un'auto elettrica dipendono esclusivamente dalle specifiche del motore e dal pacco batterie utilizzato nell'auto. Sebbene l'utilizzo di un motore potente non sia un grosso problema, il problema risiede nella progettazione di un pacco batteria che possa fornire corrente sufficiente per il motore per lungo tempo senza degradarne la durata. Per far fronte alla domanda di tensione e corrente, i produttori di veicoli elettrici devono combinare centinaia se non migliaia di celle insieme per formare un pacco batterie per una singola auto. Per dare un'idea il modello Tesla S ha circa 7.104 celle e la foglia Nissan ha circa 600 celle. Questo numero elevato, insieme alla natura instabile delle celle al litio, rende difficile progettare un pacco batterie per un'auto elettrica. In questo articolo esploriamo come un pacco batterie per veicoli elettrici è progettato per un veicolo elettricoe quali sono i parametri vitali associati alle batterie di cui ci si deve occupare.

Cosa c'è all'interno di un pacco batterie per veicoli elettrici?

Se hai letto l'articolo Introduzione ai veicoli elettrici, avresti già risposto alla domanda. Per le persone nuove, lasciatemi fare una rapida ricapitolazione. L'immagine sotto mostra il pacco batteria della Nissan Leaf che viene strappato a livello di cella dal suo pacco.

Le moderne auto elettriche utilizzano batterie al litio per alimentare le loro auto a causa di alcuni ovvi motivi di cui parleremo più avanti in questo articolo. Ma, queste batterie al litio hanno solo intorno 3.7V per cella, mentre un EV auto richiede qualche parte vicino a 300V. Per ottenere una tensione così elevata e una classificazione Ah, le celle al litio vengono combinate in serie e in parallelo per formare moduli e questi moduli insieme ad alcuni circuiti di protezione (BMS) e al sistema di raffreddamento sono disposti in un involucro meccanico chiamato collettivamente come un pacco batterie come mostrato sopra.

Tipi di batterie

Sebbene la maggior parte delle auto utilizzi batterie al litio, non ci limitiamo solo ad essa. Sono disponibili molti tipi di chimica della batteria. In linea di massima le batterie possono essere classificate in tre tipi.

Batterie primarie: si tratta di batterie non ricaricabili. Cioè può convertire l'energia chimica in energia elettrica e non viceversa. Un esempio potrebbero essere le batterie alcaline (AA, AAA) utilizzate per giocattoli e telecomandi.

Batterie secondarie: sono le batterie a cui siamo interessati per i veicoli elettrici. Può convertire l'energia chimica in energia elettrica per alimentare il veicolo elettrico e può anche convertire nuovamente l'energia elettrica in energia chimica durante il processo di carica. Queste batterie sono comunemente utilizzate nei telefoni cellulari, nei veicoli elettrici e nella maggior parte degli altri dispositivi elettronici portatili.

Batterie di riserva: si tratta di un tipo speciale di batterie utilizzate in applicazioni davvero uniche. Come dice il nome, le batterie sono conservate come riserva (standby) per la maggior parte della loro vita e quindi hanno un tasso di autoscarica molto basso. Un esempio potrebbero essere le batterie dei giubbotti di salvataggio.

Chimica di base di una batteria

Come detto in precedenza, ci sono molti diversi prodotti chimici disponibili per le batterie. Ogni chimica ha i suoi pro e contro. Ma indipendentemente dal tipo di chimica, ci sono poche cose che sono comuni a tutte le batterie, diamo un'occhiata a loro senza entrare molto nella sua chimica.

Ci sono tre strati principali in una batteria che sono il catodo, l'anodo e il separatore. Il catodo è lo strato positivo della batteria e l'anodo è lo strato negativo della batteria. Quando un carico è collegato ai terminali della batteria, la corrente (elettroni) fluisce dall'anodo al catodo. Allo stesso modo, quando un caricatore è collegato ai terminali della batteria, il flusso di elettroni viene invertito, cioè da catodo ad anodo come mostrato nella figura sopra.

Affinché una batteria funzioni, dovrebbe verificarsi una reazione chimica chiamata Reazione di riduzione dell'ossidazione. A volte chiamato anche come reazione Redox. Questa reazione avviene tra l'anodo e il catodo della batteria attraverso l'elettrolita (separatore). Il lato anodo della batteria sarà disposto a guadagnare elettroni e quindi si verificherà una reazione di ossidazione e il lato catodo della batteria sarà disposto a perdere elettroni e quindi si verificherà una reazione di riduzione. A causa di questa reazione, gli ioni vengono trasferiti dal catodo al lato anodico della batteria attraverso il separatore. Di conseguenza ci saranno più ioni accumulati nell'anodo. Per neutralizzare questo anodo deve spingere gli elettroni dal suo lato al catodo.

Ma il separatore consente solo il flusso di ioni attraverso di esso e blocca qualsiasi movimento di elettroni dall'anodo al catodo. Quindi l'unico modo in cui la batteria può trasferire gli elettroni è attraverso i suoi terminali esterni, ecco perché quando colleghiamo un carico ai terminali della batteria otteniamo una corrente (elettroni) che scorre pensandolo.

Fondamenti di chimica delle batterie al litio

Dal momento che discuteremo delle batterie al litio in quanto sono la batteria preferita per i veicoli elettrici, approfondiamo un po 'di più la sua chimica. Ci sono ancora molti tipi di batterie al litio, litio nichel cobalto alluminio (NCA), litio-nichel manganese cobalto (NMC), litio-manganese spinello (LMO), litio titanato (LTO), litio-ferro fosfato (LFP) sono i più quelli comuni. Anche in questo caso ogni chimica ha le sue caratteristiche che sono illustrate in modo chiaro dall'immagine sottostante del gruppo Boston Consulting.

Tra questi il Litio Nichel Cobalto Alluminio è il più utilizzato a causa del suo basso costo. Approfondiremo più di questi parametri più avanti in questo articolo. Ma una cosa comune che puoi notare qui è che il litio è presente in tutte le batterie. Ciò è principalmente dovuto alla configurazione elettronica del litio. Di seguito è mostrato un atomo di litio metallico neutro.

Ha un numero atomico di tre, il che significa che tre elettroni saranno attorno alla sua nucleasi e il guscio più esterno ha un solo elettrone di valenza. Durante la reazione questo elettrone di valance viene estratto, quindi ci viene dato un elettrone e uno ione di litio con due elettroni che formano uno ione di litio. Come discusso in precedenza, l'elettrone fluirà come corrente attraverso i terminali esterni della batteria e lo ione di litio fluirà attraverso l'elettrolita (separatore) durante la reazione redox.

Nozioni di base sulle batterie dei veicoli elettrici

Ora sappiamo come funziona una batteria e come viene utilizzata in un Veicolo Elettrico, ma per procedere da qui è necessario comprendere alcune terminologie di base che vengono comunemente utilizzate quando si progetta un pacco batterie. Parliamone…

Tensione nominale: due valori molto comuni che puoi trovare da contrassegnare su una batteria sono la sua tensione nominale e la valutazione Ah. Le batterie al piombo sono comunemente da 12 V e le batterie al litio da 3,7 V. Questa è chiamata tensione nominale di una batteria. Ciò non significa che la batteria fornirà sempre 3,7 V attraverso i suoi terminali. Il valore della tensione varierà in base alla capacità della batteria. Noi discuteremo