In un veicolo elettrico (EV) l’accumulatore fornisce la corrente di alimentazione al motore elettrico principale in maniera esclusiva o in combinazione ad altri sistemi, come ad esempio un sistema a celle a combustibile. La tipologia di batterie presenti sul mercato è piuttosto vasta: vi sono infatti sistemi di accumulo al Piombo, a Idruri metallici, al Sodio- Nickel Cloro ed al Litio. Le batterie al Litio presentano alte densità volumiche e massiche di energia ma anche da un costo molto elevato. Sebbene nei prossimi anni sia ipotizzabile una maggiore diffusione, esistono già oggi in commercio o in fase di prototipo avanzato vetture elettriche che utilizzano accumulatori di questo tipo, tenendo presente che sono comunque già usate quotidianamente, nei cellulari e nei computer portatili.
3.1.1 Principio di funzionamento
Visto dai suoi morsetti esterni, un accumulatore elettrochimico è un doppio bipolo che scambia energia elettrica con un circuito esterno, che opera in corrente continua. Quando la corrente entra dal polo positivo, si ha un accumulo di energia all’interno dell’accumulatore, quando invece è uscente, si ha la restituzione di parte dell’energia accumulata.
Gli accumulatori sono basati su un dispositivo elementare detto cella elettrochimica: essa è costituita da due elettrodi separati da un elettrolita. Qualunque sia il tipo di cella, le tensioni sono dell’ordine del volt; diviene quindi necessario, per raggiungere tensioni dell’ordine delle decine o centinaia di volt, connettere in serie più celle.
a) b)
Figura 3.1: a) schema elementare del funzionamento di una cella elettrochimica (in rosso il polo positivo)
b) Connessione di più celle in serie.
Il principio di funzionamento di una cella elettrochimica al Litio può essere illustrato con riferimento alla seguente figura:
Figura 3.2: Principio di funzionamento di una cella elettrochimica al litio
Esso si basa sulla caratteristica riscontrata in alcune sostanze, di contenere atomi di Litio all’interno della struttura cristallina (Litio interstiziale). Il processo può essere descritto in maniera semplificata come segue: durante la scarica,viene erogato dal polo negativo al circuito esterno, un elettrone sottratto ad un atomo di Litio interstiziale. Il Litio che ha ceduto l’elettrone, trasformato in ione positivo, entra nell’elettrolita e migra verso il catodo dove, ricevuto un elettrone dal circuito esterno, assume una forma elettricamente neutra e diventa così,interstiziale (processo di intercalazione). L’opposto avviene durante la carica, e le reazioni sotto riportate procedono da destra verso sinistra (processo di
deintercalazione). Per questa caratteristica del Litio di muoversi dall’anodo al catodo e viceversa, questo accumulatore è talvolta indicato come rocking-chair battery.
L’elettrolita, utilizzato solo come mezzo per il transito degli ioni e non partecipando direttamente alle reazioni, presenta una densità che non varia durante i processi di carica e scarica, e può essere sia liquido (sali di Litio disciolti in ambiente organico) nella batterie dette al Litio-ioni, sia solido, in quelle dette al Litio-polimeri. Lo schema di riferimento si riferisce ad una cella ad elettrolita liquido: l’anodo è costituito da carbonio in forma di carbone o grafite, con infiltrazione nella matrice di Litio; per il catodo si possono invece usare ossidi metallici di varia natura: nella pratica i metalli più impiegati sono Cobalto, Nichel e Manganese (LiCoO2, LiNiO2, LixMn2O4).
• Reazione polo positivo-Catodo
S L e L S+ i + ↔ i − + O H O H2 + 2 ↔ 2
• Reazione polo negativo-Anodo − + + + ↔L C e C Li 6 i 6 • Reazione complessiva 6 6 LS C C L S+ i ↔ i +
con S :LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4
Spesso accade che, un numero limitato di celle sia posto all’interno di un contenitore per realizzare un componente meccanicamente omogeneo detto modulo; la batteria vera e propria sarà poi costituita da più moduli in serie. Esiste anche la possibilità teorica di realizzare la connessione in parallelo di più elementi in serie, ma è raramente utilizzata per la difficoltà di ripartire uniformemente la corrente fra i vari rami, cosa che non succede con il collegamento in serie, che ha proprio la caratteristica che avere la stessa corrente in ogni ramo.
3.1.2. Aspetti costruttivi
Si possono classificare tre differenti tipi di cella al Litio in base alla modalità con cui sono assemblate:
1. Button o Coin = sono costituite da strati singoli di anodo e catodo, divisi da un separatore microporoso che ha la funzione di conservare le polarità degli elettrodi (non influenza cioè la conduttività ionica, ma permette al Litio di muoversi attraverso l’elettrolita e di diffondersi). Vengono posizionate all’interno di un contenitore sigillato di metallo, nel quale è immagazzinato l’elettrolita.
2. A spirale avvolta = hanno una forma cilindrica e sono formate da elettrodi di materiale attivo, rivestiti con pellicole o sottili griglie conduttive. Questi elementi sono poi avvolti assieme ad un separatore attorno ad un’anima metallica e gli elettrodi avvolti, detti jelly-roll, sono poi inseriti all’interno di un contenitore. 3. Plastic-Litio-ioni (PLI) = sono composte da elettrodi e separatori simili a quelli
delle celle a spirale avvolta, ma ciò che cambia è il materiale legante addizionale impiegato nella pellicola dell’elettrodo. Esso deve infatti consentire la laminazione a caldo dei materiali attivi costituenti i diversi strati, che si trovano ad essere compattati senza la necessità di essere tenuti insieme da un involucro esterno. Il contenitore, che assume quindi, in questo caso la sola funzione protettiva, è solitamente un foglio di alluminio multistrato di forma rettangolare. In queste celle il liquido elettrolita è contenuto all’interno degli elettrodi porosi e del separatore, non è cioè presente elettrolita libero.
In tutti i tipi di celle descritti, sono presenti dei collettori di rame che trasferiscono gli elettroni generati dalla reazione al circuito esterno.