Il prossimo mercoledì 24 novembre, l’ultima tavola rotonda di Driving into the Future discuterà di come potrebbe essere il futuro della produzione canadese di batterie. Che tu sia un ottimista – credi davvero che tutte le auto saranno elettriche entro il 2035 – o pensi che non raggiungeremo questo obiettivo ambizioso, le auto alimentate a batteria sono una parte importante del nostro futuro. Se il Canada vuole prendere parte a questa rivoluzione elettrica, dobbiamo trovare un modo per diventare in futuro il principale produttore di sistemi di alimentazione per autoveicoli. Per vedere come sarà il futuro, guarda l'ultima tavola rotonda sulla produzione di batterie tenutasi per noi in Canada questo mercoledì alle 11:00 ora di New York.
Dimentica le batterie allo stato solido. Lo stesso vale per tutto il clamore sugli anodi di silicio. Anche la decantata batteria alluminio-aria che non può essere caricata in casa non può scuotere il mondo dei veicoli elettrici.
Cos'è una batteria strutturale? Bene, questa è una buona domanda. Fortunatamente per me, che non voglio fingere di non avere competenze ingegneristiche, la risposta è semplice. Le attuali auto elettriche sono alimentate da batterie installate nell'auto. Oh, abbiamo trovato un nuovo modo per nascondere la loro qualità, ovvero incorporare tutte queste batterie agli ioni di litio nel pavimento del telaio, creando una piattaforma "skateboard" che ora è sinonimo di design dei veicoli elettrici. Ma sono ancora separati dall'auto. Un componente aggiuntivo, se vuoi.
Le batterie strutturali sovvertono questo paradigma rendendo l’intero telaio costituito da celle della batteria. In un futuro apparentemente da sogno, non solo il pavimento portante anziché contenere batterie, ma anche alcune parti della carrozzeria, come i montanti anteriori, i tetti e persino, come ha dimostrato un istituto di ricerca, è possibile. camera pressurizzata con filtro dell'aria - non solo dotata di batterie, ma costituita effettivamente da batterie. Nelle parole del grande Marshall McLuhan, un’auto è una batteria.
Ebbene, sebbene le moderne batterie agli ioni di litio sembrino high-tech, sono pesanti. La densità energetica degli ioni di litio è molto inferiore a quella della benzina, quindi per raggiungere la stessa autonomia dei veicoli a combustibili fossili, le batterie dei moderni veicoli elettrici sono molto grandi. Molto grande.
Ancora più importante, sono pesanti. Ad esempio pesante in "carico ampio". La formula di base attualmente utilizzata per calcolare la densità energetica di una batteria è che ogni chilogrammo di ioni di litio può generare circa 250 wattora di elettricità. Oppure, nel mondo delle abbreviazioni, gli ingegneri preferiscono 250 Wh/kg.
Facciamo un po’ di conti, una batteria da 100 kWh è come una Tesla collegata a una batteria della Model S, il che significa che ovunque tu vada, trascinerai circa 400 kg di batteria. Questa è l'applicazione migliore e più efficiente. Per noi profani, potrebbe essere più accurato stimare che una batteria da 100 kWh pesa circa 1.000 libbre. Come mezza tonnellata.
Ora immagina qualcosa come il nuovo Hummer SUT, che afferma di avere una potenza di bordo fino a 213 kWh. Anche se il generale trovasse qualche progresso in termini di efficienza, l'Hummer superiore trascinerebbe comunque circa una tonnellata di batterie. Sì, andrà più lontano, ma a causa di tutti questi vantaggi aggiuntivi, l'aumento dell'autonomia non è commisurato al raddoppio della batteria. Naturalmente, il suo camion deve avere un motore più potente, cioè meno efficiente, da abbinare. Le prestazioni delle alternative più leggere e a corto raggio. Come ti dirà ogni ingegnere automobilistico (sia per la velocità che per il risparmio di carburante), il peso è il nemico.
È qui che entra in gioco la batteria strutturale. Costruendo automobili utilizzando batterie invece di aggiungerle alle strutture esistenti, la maggior parte del peso aggiunto scompare. In una certa misura, cioè quando tutte le parti strutturali vengono convertite in batterie, l'aumento dell'autonomia dell'auto non porta quasi a nessuna perdita di peso.
Come ci si aspetterebbe, perché so che sei seduto lì a pensare “Che bella idea!”, ci sono ostacoli a questa soluzione intelligente. Il primo è padroneggiare la capacità di realizzare batterie con materiali che possano essere utilizzati non solo come anodi e catodi per qualsiasi batteria di base, ma anche sufficientemente resistenti e molto leggeri! -Una struttura in grado di sostenere un'auto da due tonnellate e i suoi passeggeri, e si spera che sia sicura.
Non sorprende che i due componenti principali della batteria strutturale più potente fino ad oggi realizzata dalla Chalmers University of Technology e investita dal KTH Royal Institute of Technology, le due università di ingegneria più famose della Svezia, siano fibra di carbonio e alluminio. Essenzialmente, la fibra di carbonio viene utilizzata come elettrodo negativo; l'elettrodo positivo utilizza un foglio di alluminio rivestito con fosfato di litio ferro. Poiché anche la fibra di carbonio conduce gli elettroni, non è necessario utilizzare argento pesante e rame. Il catodo e l'anodo sono tenuti separati da una matrice in fibra di vetro che contiene anche un elettrolita, quindi non solo trasporta gli ioni di litio tra gli elettrodi, ma distribuisce anche il carico strutturale tra i due. La tensione nominale di ciascuna cella della batteria è di 2,8 volt e, come tutte le attuali batterie per veicoli elettrici, può essere combinata per produrre la tensione di 400 V o addirittura 800 V comune ai veicoli elettrici di tutti i giorni.
Sebbene si tratti di un salto evidente, anche queste cellule ad alta tecnologia non sono affatto pronte per il debutto. La loro densità energetica è solo trascurabile di 25 wattora per chilogrammo e la loro rigidità strutturale è di 25 gigapascal (GPa), che è solo leggermente più resistente della fibra di vetro del telaio. Tuttavia, con il finanziamento dell’Agenzia spaziale nazionale svedese, l’ultima versione ora utilizza più fibra di carbonio invece degli elettrodi in foglio di alluminio, che secondo i ricercatori hanno rigidità e densità energetica. Infatti, si prevede che queste ultime batterie carbonio/carbonio produrranno fino a 75 wattora di elettricità per chilogrammo e un modulo di Young di 75 GPa. Questa densità energetica potrebbe ancora essere inferiore a quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio, ma la sua rigidità strutturale è ora migliore di quella dell’alluminio. In altre parole, la batteria diagonale del telaio del veicolo elettrico composta da queste batterie potrebbe essere strutturalmente resistente quanto la batteria in alluminio, ma il peso sarà notevolmente ridotto.
Il primo utilizzo di queste batterie ad alta tecnologia è quasi certamente l’elettronica di consumo. Il professor Leif Asp di Chalmers ha dichiarato: “In pochi anni, sarà del tutto possibile realizzare uno smartphone, un laptop o una bicicletta elettrica che pesi solo la metà di oggi e sia più compatto”. Tuttavia, come ha sottolineato il responsabile del progetto, "Qui in realtà l'unico limite è la nostra immaginazione".
La batteria non è solo la base dei moderni veicoli elettrici, ma anche il loro anello più debole. Anche la previsione più ottimistica può prevedere solo il doppio dell’attuale densità energetica. E se volessimo ottenere l’incredibile autonomia che tutti noi abbiamo promesso – e sembra che qualcuno ogni settimana prometta 1.000 chilometri per carica? — Dovremo fare di meglio che aggiungere batterie alle automobili: dovremo creare automobili utilizzando le batterie.
Gli esperti affermano che la riparazione temporanea di alcune strade danneggiate, inclusa l'autostrada Coquihalla, richiederà diversi mesi.
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