Il ciclo di vita della cella di una batteria

7 min tempo di lettura
La vita di una batteria per auto elettriche comprende quattro fasi: progettazione, utilizzo sul veicolo, seconda vita e riciclo. Seguiamo la progettazione del Centro di competenza per le celle di una batteria di BMW Group fino al riciclaggio.

Il 22 settembre 2020

Attiva le notifiche push

Mobilità innovativa, nuovi e avvincenti trend e un altissimo numero di giri: abbonati adesso alle notifiche per i nuovi contenuti.

L'abbonamento successo.

L'abbonamento fallito.

Se hai bisogno di aiuto segui il link per il supporto.

Dove nasce la cella di una batteria

Qui nasce il futuro. Qui comincia tutto. Regna il silenzio più completo, interrotto solo dal fruscio delle macchine di laboratorio. 200 scienziati ed esperti, soprattutto chimici e ingegneri di processo, con le loro tute protettive blu e i loro guanti monouso azzurri, sono l’unica macchia di colore in questo spazio di lavoro moderno e pulitissimo: il Centro di competenza per le batterie di BMW Group a Monaco Nord. In questi 12.000 metri quadrati nasce la tecnologia delle batterie di domani. Nei laboratori e nei centri di ricerca ultramoderni, vengono ottimizzati la tecnologia delle batterie e i processi produttivi delle batterie per auto elettriche. Il BMW Group studia quello che succede all’interno della cella di una batteria, qual è la composizione chimica ideale, che aspetto deve avere la cella di una batteria e come produrre in grandi serie e in modo sostenibile. Gli esperti paragonano tutto questo a una ricetta per preparare una torta.

La chimica della cella è la ricetta, gli ingredienti della torta, ossia le celle delle batterie al litio, sono i quattro componenti catodo, anodo, separatore ed elettroliti. Non si tratta solo delle quantità precise e della qualità degli ingredienti, ma anche di come vengono messi insieme e di come vengono lavorati, perché non tutti i forni sono uguali. La composizione delle materie prime principali, densità energetica e potenza specifica, sicurezza, durata, ecc.: tutto viene studiato nel Centro di competenza per le batterie. Il laboratorio è in grado di approfondire le conoscenze attuali, di studiare le diverse tendenze future e di sviluppare progetti propri. Nel contempo, BMW Group può stabilire quali formati di batteria possono essere acquistati dai fornitori, con quali materiali possono essere realizzati e a quali condizioni. BMW Group dedica un’attenzione speciale alla sostenibilità di questi componenti.

Riduzione delle emissioni di CO2

“Come pionieri nel campo della sostenibilità, la nostra parola ha un certo peso presso i fornitori di batterie e noi sfruttiamo questa reputazione. Con i nostri produttori di celle abbiano concordato per contratto che utilizzino solo energia verde nella produzione delle nostre batterie di quinta generazione. Quest’anno abbiamo portato questa tecnologia sulla strada con la BMW iX3 e l’anno prossimo la espanderemo sulla nostra gamma di prodotti, come per esempio la BMW iNEXT e la BMW i4. Con l’aumento dei volumi, l’impiego di energia verde consentirà un risparmio di circa 10 milioni di tonnellate di CO2 nel prossimo decennio. Per fare un paragone, parliamo di una quantità di CO2 analoga a quella emessa da una metropoli come Monaco di Baviera in un anno”, spiega il CEO di BMW Oliver Zipse. Per questo, nel Centro di competenza per le batterie nasce un prototipo di batteria che soddisfa alla perfezione le esigenze dei veicoli BMW oggi e in futuro.

La produzione: le materie prime più importanti

Nel proprio laboratorio, BMW Group studia le composizioni e i rapporti di quantità dei materiali attivi della cella di una batteria. Il catodo, ossia il polo positivo, è formato da ossidi di litio, nichel, manganese e cobalto. Per l’anodo, il polo negativo, viene utilizzata la grafite. Per quanto riguarda l’approvvigionamento delle materie prime, e in particolare per la degradazione di materie prime chiave come il litio e il cobalto, il rispetto degli standard ambientali e dei diritti umani ha la massima priorità per BMW Group. Un approvvigionamento e una lavorazione delle materie prime etici cominciano per l’azienda fin dall’inizio della catena di valore, ossia nelle miniere delle materie prime. Per la quinta generazione di batterie in arrivo, BMW Group ha ristrutturato la sua catena di fornitura: a partire dal 2020, acquisterà litio e cobalto direttamente, senza intermediari, e metterà le materie prime a disposizione dei suoi produttori di batterie.

In futuro, BMW acquisterà direttamente il cobalto dalle miniere dell’Australia e del Marocco, e anche il litio verrà dall’Australia. In questo modo assicuriamo una trasparenza sulla provenienza di queste due importanti materie prime al 100%. Inoltre, BMW Group, assieme a BASF SE, Samsung SDI e Samsung Electronics, ha dato vita al progetto pilota “Cobalt for Development”, un’iniziativa di ampia portata nella Repubblica Democratica del Congo. L’obiettivo è il miglioramento delle condizioni di lavoro delle persone in una miniera di cobalto per l’estrazione su piccola scala. Le aziende coinvolte hanno incaricato la Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit GmbH (la società tedesca per la collaborazione internazionale, GIZ) di verificare, per un periodo di tre anni, come poter migliorare le condizioni di vita e di lavoro in una miniera di cobalto per l’estrazione su piccola scala e nelle comunità della zona. Se il progetto avrà successo, sarà possibile applicare a lungo termine i principi fondamentali su altre piccole realtà minerarie non industriali.

La vita di una batteria su un veicolo

Ora inizia la fase decisiva nella vita di una batteria: l’uso sul veicolo. Entro il 2023, BMW Group prevede di ampliare la sua gamma fino ad arrivare a 25 auto elettriche (➜ leggete anche: bride, Plug-in & Co., panoramica delle auto elettriche), di cui oltre la metà completamente elettriche. L’ottimizzazione della batteria per le nuove auto elettriche ha la massima priorità. Non si tratta delle dimensioni, ma della tecnologia, o meglio dell’efficienza. Le nuove auto elettriche possono già vantare un’autonomia fino a 600 chilometri con una ricarica e la tendenza è in aumento. La durata di una singola batteria per auto dipende in gran parte dal comportamento del conducente: una carica rapida, per esempio, causa una maggiore sollecitazione dell’accumulatore rispetto a una carica tradizionale.

Anche la temperatura ambientale, il numero di cicli, la profondità di scarica e l’età della batteria, indipendentemente dall’uso, sono fattori che influiscono sulla durata della batteria. La durata presunta di una batteria BMW è già stata largamente superata. Per questo, BMW Group ha deciso di ampliare il chilometraggio massimo di una BMW i3 con garanzia sulla batteria di otto anni dagli attuali 100.000 chilometri a 160.000 chilometri. Ma anche quando un’auto elettrica BMW ha le batterie esauste dopo molti anni, non è ancora il momento di eliminarle definitivamente. Ma cosa fare delle batterie per auto elettriche (➜ leggete anche: 10 miti sulle auto elettriche al vaglio dei fatti) quando non sono più idonee all’uso su una vettura ma contengono ancora il 70-80% di energia?

1 / 7
Su un’area di 12.000 metri quadrati, il Centro competenza di BMW Group per le batterie ottimizza la tecnologia delle batterie per auto elettriche e i relativi processi di produzione. Qui vediamo un operatore mentre controlla dosaggio e miscelazione della pasta per elettrodi in laboratorio.
Su un’area di 12.000 metri quadrati, il Centro competenza di BMW Group per le batterie ottimizza la tecnologia delle batterie per auto elettriche e i relativi processi di produzione. Qui vediamo un operatore mentre controlla dosaggio e miscelazione della pasta per elettrodi in laboratorio.
In un accumulatore a ioni di litio per la cella di una batteria BMW, gli elettrodi devono essere rivestiti per poter far depositare e poi cedere il litio. A questo fine, si applica una pasta in materiale attivo su un foglio di elettrodi in rame o alluminio.
Nelle modernissime attrezzature di ricerca del laboratorio, i fogli di elettrodi vengono rivestiti e asciugati.
Il foglio di elettrodi viene compresso in un laminatoio.
Nel Centro di competenza per le batterie, l’alloggiamento della cella della batteria viene saldato con l’aiuto di robot high-tech.
L’ecocompatibilità e la sostenibilità sociale nella degradazione dei materiali, la loro lavorazione e il riciclaggio finale dei materiali impiegati sono una priorità per BMW Group.
Il Centro di competenza per le batterie di BMW Group a Monaco Nord. Qui vengono studiati l’autonomia delle batterie per auto elettriche, il riciclaggio delle celle delle batterie al litio per auto e un riuso sostenibile delle materie prime.

Che non si debbano giudicare le cose dall’apparenza lo dimostra un container lungo circa 26 metri e largo 6 che si trova nel porto di Amburgo. Il suo contenuto è veramente speciale. Ai 2600 moduli per batteria utilizzati sulle auto elettriche BMW, è stata “regalata” una seconda vita. Le batterie hanno trovato un nuovo impiego come accumulatori di energia fissi. L’energia presente in queste celle è disponibile in pochi secondi e rende stabile la rete elettrica. Cosa significa questo esattamente? A qualsiasi ora del giorno, la rete elettrica riceve sempre la quantità di energia necessaria a soddisfare le esigenze di tutti gli utenti. Ogni 15 minuti viene effettuata una valutazione. Poi si stabilisce quali impianti possono coprire la domanda. Le quote di produzione dell’energia eolica e solare hanno la precedenza nella maggior parte dei Land, ma la produzione di questa energia dipende dalle condizioni meteorologiche e quindi non è prevedibile al 100 per cento.

“Qui entrano in gioco gli accumulatori per batterie come quelli di “Second Life’”, spiega Daniel Hustadt, project manager presso l’azienda produttrice di energia elettrica Vattenfall e responsabile anche dello sviluppo tecnologico. “Vengono utilizzati proprio per compensare le oscillazioni e garantire l’equilibrio tra domanda e offerta. Se le oscillazioni di produzione e della domanda portano a una presenza eccessiva di corrente sulla rete, le batterie immagazzinano l’eccesso. Se la corrente invece manca, le batterie provvedono a erogarla. E nel giro di pochi secondi!” Occorrono circa 10 anni prima che il contenuto di energia della cella di una batteria di Second Life sia completamente esaurita e venga riciclata. Anche la “fattoria degli accumulatori” di BMW Group a Lipsia dimostra che è possibile utilizzare ancora circa 700 batterie della BMW i3 dopo che sono state usate sulle auto. Come accumulatori tampone per le energie rinnovabili, contribuiscono a immagazzinare energia e a tagliare i costi di una produzione sostenibile.

Un rumore assordante riempie l’ambiente. Con le loro frese, tre operatori aprono il modulo della batteria per arrivare agli strati veramente preziosi in cui si nascondono le materie prime. In seguito, l’involucro di alluminio, il materiale degli elettrodi e il foglio del separatore vengono ridotti in piccoli pezzi in uno speciale frantumatore, che viene alimentato dall’energia scaricata dalla batteria e può sminuzzare fino a 500 chilogrammi di materiale ogni ora. Ci troviamo nel cuore dell’azienda chimica Duesenfeld, nella Bassa Sassonia; si tratta di una delle aziende, oltre a Northvolt e Umicore, che sono in grado di riciclare quasi completamente le batterie agli ioni di litio montate sulle auto elettriche di BMW Group.

Per queste procedure vengono utilizzate diverse metodologie. Oltre a usare i frantumatori, è possibile anche riscaldare le celle delle batterie in un forno pirometallurgico a temperature molto elevate, in modo da poter fondere i metalli contenuti e separarli. L’elettromobilità è sostenibile solo se è possibile riciclare gli accumulatori. Il riciclaggio viene eseguito recuperando le materie prime. E così si ritorna alla nascita della batteria, ossia al Centro di competenza per le batterie di BMW Group. Perché sviluppando le celle della batteria, BMW pensa a un riutilizzo sostenibile delle materie prime in collegamento al processo di riciclaggio. Il cerchio si chiude.

Foto: BMW; Illustrazione: Bratislav Milenkovic; Autore: Markus Löblein