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Materiali innovativi per batterie delle automobili elettriche e ibride

I materiali innovativi per le batterie delle auto

La mobilità del futuro: i polimeri nelle batterie delle autovetture elettriche

Il futuro sarà sempre più elettrico: la mobilità sta progressivamente abbandonando i combustibili fossili per trarre energia motrice dalle batterie. Nel 2020 il mercato delle auto elettriche e ibride è cresciuto del 40%, mentre si stima che entro il 2030 nel mondo saranno venduti 230 milioni di veicoli elettrici.

Fattore determinante di questo successo planetario dipende sicuramente dall’evoluzione delle batterie di ultima generazione che consentiranno migliori prestazioni e tempi di ricarica sempre più brevi. Sul fronte produttivo, le industrie stanno lavorando a nuove tecnologie e materiali innovativi per incrementare la produzione in scala a tempi e costi ridotti, velocità di assemblaggio e maggiori prestazioni.

Covestro con i suoi polimeri ad alta tecnologia da tempo collabora con le migliori case produttrici di batterie per affrontare insieme questa sfida senza precedenti nel campo dell’automotive che porterà indubbi vantaggi sul piano della sostenibilità ambientale e della riduzione dei combustibili fossili.

Le batterie per auto elettriche: come funzionano e come si stanno evolvendo

Conoscere il funzionamento delle batterie è indispensabile per inquadrare quali sfide devono affrontare i ricercatori e produttori. Ogni batteria è composta da celle più piccole collegate tra loro. L’architettura delle celle permette un flusso di elettroni da un anodo (carbonio, foglio in rame) a un catodo (ossido metallico di litio, foglio di alluminio). Durante la ricarica l'energia elettrica fornita dalla rete viene convertita in energia chimica e gli ioni di litio si spostano dal catodo all'anodo dove vengono immagazzinati. Quando la batteria viene usata, gli ioni di litio tornano al catodo e l'energia chimica viene riconvertita in energia elettrica. Il flusso di elettroni si muove all’interno di una sostanza detta elettrolita che è liquida ma che nel prossimo futuro sarà possibile trovare anche allo stato solido. La batteria è formata dall’unione di più celle affiancate.

I materiali polimerici ad alta tecnologia, policarbonati, adesivi e materiali termoplastici, giocano un ruolo fondamentale per migliorare l'efficienza e il rendimento di una batteria dedicata all’automotive. I ricercatori devono affrontare sfide sia sul piano della produzione di scala che su quello della sicurezza e del rendimento. Si punta sempre più a batterie che abbiano:

  • peso e dimensioni ridotti
  • controllo efficiente della temperatura
  • tempi di produzione rapidi
  • protezione dalla corrosione
  • protezione dagli urti.

Polimeri per batterie sempre più piccole e leggere

La leggerezza gioca un ruolo fondamentale nella mobilità a trazione elettrica o ibrida. Meno peso da spostare significa meno energia utilizzata. Per questo l’uso di polimeri risulta vincente in tutta la componentistica dell’automotive: dalle vetrature alla carrozzeria, dalla componentistica alle batterie. I laboratori Covestro hanno messo a punto una miscela di PC/ABS. Questa termoplastica a base di policarbonato e composto di acrilonitrile, butadiene e stirene, ha una densità inferiore di circa il 10% e possiede elevate proprietà meccaniche, elettriche e termiche. In un progetto denominato Sonnenwagen, Covestro, in partnership con la RWTH Aachen University, ha sperimentato questo materiale con ottimi risultati per pacchi batteria che alimentano un’auto da corsa. Lo stesso materiale in PC/ABS è stato poi utilizzato da Henkel per la creazione di nuove batterie dal design innovativo.

Le lastre in policarbonato misto possono essere lavorate facilmente rendendo possibile la produzione di scala. Inoltre, rispetto ai materiali semicristallini, le materie plastiche amorfe come i policarbonati, hanno il vantaggio di essere praticamente esenti da ritiro nel processo di stampaggio a iniezione e hanno un assorbimento d'acqua molto basso. Ciò facilita la progettazione di componenti a pareti sottili e privi di distorsioni.

Nel settore dei vani batteria, Covestro è stata in grado di fornire la prima copertura a base di policarbonato. La batteria ha ottenuto un peso inferiore del 20%, mentre sul fronte della produttività si è arrivati ad aumentarla fino al 50%. Rispetto all’uso di pezzi stampati in lamiera, dunque sono stati migliorati sia costi che prestazioni.

Nuovi design per il controllo e gestione della temperatura nelle batterie

La temperatura è un fattore di criticità nelle batterie per le auto elettriche e ibride. Il range di funzionamento ottimale è tra i -10° ai 40°. Ogni batteria ha dunque necessità di un sistema di raffreddamento per non raggiungere temperature elevate che ne compromettono l’efficienza. Anche la ricarica rapida provoca un notevole aumento della temperatura. A 150° C e oltre, la rottura delle celle nelle batterie può trasformarsi in un ciclo di autoalimentazione chiamato fuga termica che mette a rischio gli occupanti dell'auto. Per questi motivi la gestione termica della batteria e i sistemi di raffreddamento sono cruciali per garantire sicurezza ed efficienza.

Il policarbonato rinforzato con minerali ha dimostrato possedere le capacità fisiche e chimiche tali da resistere alla deformazione con temperature molto alte e di essere ignifugo. Inoltre questo materiale polimerico permette anche di realizzare design innovativi che uniscono semplicità di montaggio, riduzione del peso e controllo della temperatura. La versatilità e la capacità plastica del policarbonato infatti consente ai progettisti di realizzare soluzioni efficienti già in fase di disegno. I dispositivi di raffreddamento possono essere costituiti da canali integrati tra le celle o da piastre refrigeranti. La leggerezza del materiale e la capacità di sopportare modellature con pareti sottili e resistenti stanno spingendo le aziende a realizzare telai e portacelle innovativi con celle cilindriche a pesi ridotti anche per battery pack più grandi.

Protezione delle batterie dei veicoli elettrici e ibridi

Gli alloggiamenti sottoscocca dei veicoli elettrici devono proteggere le batterie da polvere, detriti e umidità, come pioggia, neve o getti dell'autolavaggio. Inoltre è indispensabile che le celle siano sigillate in maniera perfetta per evitare la perdita dell’elettrolita. I costruttori hanno necessità di trovare i migliori sigillanti e le guarnizioni che non si deteriorino anche in condizioni estreme, come vibrazioni, fenomeni meteorologici intensi e alte temperature esterne. La fase di assemblaggio è la più delicata, nella quale l’uso di materiali polimerici può incrementare il grado di protezione della batteria e migliorare i tempi di produzione in scala per un abbattimento dei costi.

I materiali polimerici di Covestro oltre alla nota stabilità dimensionale e termica sono perfetti perché resistenti ai raggi UV e hanno tempi rapidi di indurimento. La collaborazione con la multinazionale Henkel ha creato una sinergia tra poliuretano composito di Covestro e adesivi a marchio Henkel. È stato messo a punto un procedimento di montaggio su scala industriale in cui i porta celle cilindrici per le batterie al litio sono realizzati con la miscela di PC/ABS. Le celle raggiungono lo spessore di solo 1 mm e il materiale offre velocità di produzione con cicli brevi di polimerizzazione mentre l'adesivo acrilico fornisce una forte adesione ai componenti e una perfetta sigillatura.

Proteggere le batterie dagli urti

La sicurezza è il punto più importante per le auto alimentate a batteria. Innumerevoli crash-test sono stati condotti per verificare il comportamento dei materiali polimerici in caso di urto. In laboratorio è stato verificato che il pacco batteria realizzato con materiali tradizionali subiva danneggiamenti rilevanti. Al contrario, l'alloggiamento della batteria in policarbonato per la piastra inferiore si è dimostrato perfetto nella capacità di dissipazione dell’energia cinetica e offre la migliore combinazione di protezione dagli urti, peso, complessità e costo.

Verso una nuova tecnologia delle batterie per la mobilità sostenibile

Con le loro caratteristiche fisiche e chimiche e la loro completa riciclabilità, i nuovi materiali polimerici offrono un contributo essenziale alla tecnologia delle batterie.

I nuovi materiali termoplastici soddisfano le esigenze dei produttori di celle per batterie agli ioni di litio sicure, economiche e durevoli realizzate in polimero leggero. Costituiscono la base per fornire oggi la tecnologia delle batterie del futuro.

Terry Davis

Principal Engineer/Global Technical Battery Lead

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