Energia da passeggio

Cosa accomuna una torcia e una Tesla? Senza la batteria non funzionano. Ma qual è la tecnologia delle batterie del futuro? I ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di nuove soluzioni.

Senza le batterie non esisterebbe l'e-mobility. Alimentano svarati veicoli e applicazioni, affascinanti proprio perché non devono essere sempre collegate a una presa di corrente. Tuttavia, nonostante la tecnologia abbia fatto notevoli passi avanti negli ultimi decenni, sembra che le batterie appartengano ancora alla “vecchia scuola” rispetto all'elettronica high-tech d'avanguardia. Un esempio? Il microprocessore di uno smartphone è in grado di eseguire miliardi di operazioni in pochi secondi, mentre invece sono necessarie delle ore per ricaricare la batteria. Inoltre le batterie sono i componenti più pesanti tra tutti quelli installati. Può essere un aspetto non gradito ai consumatori ma è semplicemente nella natura delle cose: i dispositivi di accumulo di energia e le reazioni chimiche al loro interno non possono essere miniaturizzate come avviene nell'industria dei semiconduttori. Nelle nostre vite quotidiane utilizziamo diversi tipi di batterie:

• Batterie alcaline economiche, ad esempio nei telecomandi e negli orologi
• Batterie al nichel-cadmio (con un uso simile alle batterie alcaline ma ricaricabili)
• Batterie agli ioni di litio, ad esempio nelle telecamere, nei trapani elettrici e nelle auto elettriche
• Batterie ai polimeri di litio, ad esempio negli smartphone e nei tablet. Le batterie ai polimeri di litio sono un tipo speciale di batterie agli ioni di litio che possono essere molto sottili in quanto, invece di un elettrolita liquido, viene utilizzato un elettrolita in gel. Sono però più sensibili delle batterie agli ioni di litio.

Sebbene oggi le batterie al litio siano lo standard di riferimento, presentano determinati svantaggi che non è possibile trascurare. Gran parte di noi ha visto immagini di smartphone o auto elettriche le cui batterie si sono incendiate sono addirittura esplose: un vero e proprio scenario da film horror. Per questo i ricercatori in tutto il mondo sono alla ricerca di nuovi tipi di batterie e tecnologie. L'obiettivo consiste nella riduzione di dimensioni, peso, tempo di ricarica e costi delle batterie aumentandone al contempo la sicurezza. Inoltre, gli elementi litio e cobalto (componenti principali di molte batterie) non sono disponibili in quantità illimitate.

Le batterie al magnesio potrebbero essere i potenziali eredi. Questa tecnologia è al centro di un progetto di ricerca del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e dell'Helmholtz Institute di Ulm. “Una batteria al magnesio offrirebbe vantaggi decisivi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio,” come scrive il KIT in un comunicato stampa. “Essendo un materiale anodico, il magnesio consente densità di energia molto maggiori e sarebbe molto più sicuro.” Un altro vantaggio: il magnesio è circa 3000 volte più comune rispetto al litio e più semplice da riciclare. “Se l'Europa fa passi avanti con lo sviluppo, le batterie al magnesio potrebbero permettere di ridimensionare la predominanza dei produttori di batterie asiatici e affermare una industria competitiva delle batterie in Europa,” scrive sempre il KIT. A sorpresa, il vetro è un altro candidato per le batterie conosciute come batterie a stato solido. Il sodio contenuto nel vetro è uno degli elementi più comuni. Queste batterie con uno speciale elettrolita in vetro sono potenzialmente in grado di essere ricaricate in pochi minuti offrendo una migliore sicurezza rispetto alle batterie agli ioni di litio infiammabili. Tuttavia dovrà trascorrere del tempo prima che questa tecnologia per batterie sarà pronta per il mercato e potrà sostituire le batterie agli ioni di litio.

maxon esplora il mondo delle batterie

Batterie prodotte dallo specialista di azionamenti maxon? Quello che potrebbe sembrare un programma per il futuro è già realtà. maxon ha iniziato il viaggio nel mondo dello stoccaggio dell'energia con lo sviluppo di BIKEDRIVE, un kit di retrofit che trasforma una normale bicicletta in una e-bike. Dopo alcune difficoltà con il fornitore delle batterie, maxon ha deciso di creare le proprie batterie. Tuttavia è più semplice a dirsi che a farsi. La produzione di batterie richiede creatività ingegneristica, competenze tecniche e attrezzature speciali. “Per noi è un campo relativamente nuovo ma affascinante,” afferma Benny Keller di maxon advanced robotics & systems (mars).

Un pacco batterie è composto da diverse celle singole che solitamente forniscono una tensione di 3,7 V. A seconda delle modalità di cablaggio di queste singole celle, il pacco batterie presenta diverse specifiche. Se le celle vengono cablate in serie, si aggiunge tensione. Cablando le celle in parallelo si aumenta la capacità della batteria. La creazione di una combinazione ottimale di queste celle singole richiede abilità e competenza tecnica. “Inoltre vi sono molti standard di sicurezza da soddisfare,” spiega Benny Keller. Un pacco batterie non è completo dopo che le celle sono state professionalmente incollate e cablate: è necessario anche un sistema di gestione della batteria (BMS). L'elettronica viene solitamente installata su un circuito stampato nell'involucro della batteria. Gli specialisti di maxon hanno sviluppato e prodotto il proprio BMS. Il BMS assicura che le celle vengano caricate e scaricate in modo uniforme: un aspetto cruciale per la vita utile della batteria. Inoltre è importante tener conto degli aspetti di sicurezza del BMS. Ad esempio, impedisce che la batteria venga caricata o esposta a un carico a temperature eccessivamente basse o elevate.

È chiaro che, in qualità di nuovo arrivato sulla scena, maxon non potrà avviare una produzione di massa delle batterie da un giorno all'altro. Tuttavia, il laboratorio di Giswil è perfettamente attrezzato per la produzione di prototipi o piccole quantità. Per quantità maggiori maxon si affida all'assistenza di rinomati produttori nella Germania meridionale. Naturalmente le batterie maxon sono progettate per l'e-mobility e le applicazioni di robotica.