Rubrica: Biciclette elettriche e kit di trasformazione
Titolo o argomento: Dalle batterie al piombo acido alle batterie che sfruttano le nanotecnologie
Le batterie di cui si parla in questo articolo sono assai differenti tra loro per materiali, prestazioni, vantaggi e svantaggi e non sono adatte solo alla trasformazione di una bicicletta normale in una e-Bike. Si parla di batterie che vanno da quelle più obsolete a quelle che ancora devono raggiungere la produzione passando per interessanti varianti evolutive. Tali batterie sono impiegabili anche per moto e scooter elettrici, per auto elettriche o auto ibride e persino per applicazioni quali tagliaerba, utensili elettrici, elettrodomestici, macchinari e quant’altro.
Quello che è opportuno tenere bene in mente è che molti dei dispositivi elencati sono ancora molto costosi all’acquisto inoltre non inquinano solo all’apparenza. L’aria intorno a voi è infatti più pulita ma al termine della sua vita utile, una batteria, va smaltita e, possibilmente, riciclata. Questo comporta delle spese che prima o poi si dovranno sostenere e comporta una percentuale di inquinamento.
Si tratta del primo tipo di batteria ricaricabile destinata prevalentemente ad auto/moto. Divenne un congegno considerato utile solo dopo che fu inventata la dinamo. Sono economiche ed offrono elevata potenza istantanea all’accensione ma hanno bassi rapporti energia/peso ed energia/volume. Non sono pertanto indicate per alimentare una bicicletta elettrica. L’apporto di peso sarebbe eccessivo e l’autonomia scarsa. Inoltre se si scaricano completamente non possono essere più ricaricate.
Si tratta di una batteria molto simile alla precedente ma nella quale l’elettrolita non è un liquido, bensì ha la consistenza di un gel. Questo oltre a impedire pericolosi versamenti di acido quando si è in piega, offre una maggiore protezione delle piastre della batteria in fase di scarica. Ciò permette cicli di scarica piuttosto profondi (rispetto alle batterie al piombo acido) ed una maggiore longevità della batteria (importante è la ricarica con appositi caricatori onde evitare una drastica diminuzione della vita utile). Nonostante si tratti di un’interessante evoluzione della classica batteria al piombo acido, le sue caratteristiche non sono adatte per l’impiego su bici elettriche per via di rapporti pressoché simili di energia/peso ed energia/volume e per il fatto che non possono essere scaricate completamente, pena l’impossibilità di ricaricarle correttamente o il totale danneggiamento.
Batteria agli ioni di litio (Li-Ion)
Generalmente utilizzata per computer portatili e telefoni cellulari, la batteria agli ioni di litio offre un rapporto potenza/peso decisamente migliore rispetto alle batterie al piombo, il famoso effetto memoria (tipico delle batterie al nichel-cadmio ed al nichel metallo idruro) è assente e la perdita di carica quando non vengono utilizzate è molto lenta. Possono essere modellate con la forma più congeniale rispetto al dispositivo sul quale devono essere installate. Gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata e questo permette di realizzare batterie dal peso piuttosto contenuto. Diversi kit di trasformazione per biciclette elettriche utilizzano questo genere di batterie proprio per tale ragione. Tutto questo però a scapito di costi ben più elevati e di una vita utile indipendente dai cicli di carica e scarica. Ciò significa che dal momento in cui escono di fabbrica inizia il loro invecchiamento. Un problema serio se si pensa che si potrebbe andare incontro ad offerte particolarmente invitanti (specie su internet) per poi trovarsi con delle batterie pagate un 20% in meno ma che hanno già vissuto nei magazzini il 60% della loro vita…
La durata delle batterie agli ioni di litio è inoltre legata alla temperatura del dispositivo nel quale vengono inserite. Maggiore è la temperatura e minore sarà la loro vita utile. Sebbene possa rappresentare un problema su un computer portatile, lo è senz’altro meno su una bicicletta elettrica utilizzata d’estate la quale però non andrebbe lasciata mai al sole (specie durante le ore di punta). La perdita di prestazioni delle batterie agli ioni di litio non avviene gradualmente, bensì in modo brusco. Potreste partire la mattina e viaggiare comodamente tra casa e lavoro con la vostra e-bike per poi trovarvi a pranzo a pedalare perchè il pacco batterie ha deciso che è giunta la sua ora 🙂
In caso di incidente, la rottura delle batterie agli ioni di litio, risulta assai pericolosa, tossica (con riversamento di solvente organico) ed a rischio incendio. Altro problema delle batterie agli ioni di litio è che queste devono sempre essere installate assieme ad un circuito di monitoraggio della carica. Tali batterie infatti non possono essere scaricate completamente e risulta necessario che un dispositivo rilevi la soglia di tensione sotto la quale non si deve scendere in modo tale da escluderle ed avvisare della necessità di ricaricare. Il litio infine è scarsamente presente in natura e la sua estrazione è molto complicata, due fattori che ne determinano i costi proibitivi. Una batteria 36v-10Ah per e-bike costa oggi circa 300,00 Euro e non si hanno dati certi sulla durata ed il relativo ammortizzamento dei costi.
Batteria al nichel metallo idruro (NiMH)
Frequentemente ed impriopriamente chiamate batterie al nichel metal idrato, sono batterie che hanno molti punti in comune con le batterie al nichel-cadmio. In entrambe l’elemento nichel funge da catodo. La differenza sostanziale risiede nel fatto che nelle NiMH l’anodo è costituito da una lega invece che dall’elemento cadmio. Le batterie al NiMH hanno capacità superiori di circa 3 volte ed un minore effetto memoria rispetto alle batterie al nichel-cadmio di pari volume. Nonostante tutto il rapporto energia/volume ed il fenomeno di auto-scarica è assai sfavorevole se confrontato con le batterie agli ioni di litio. Sono pertanto consigliate come batterie per effettuare semplici test con una spesa di gran lunga inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio o quelle ai litio polimeri.
Batteria al litio ferro fosfato
Batteria della famiglia Li-Ion che utilizza come catodo il litio-ferro-fosfato. Le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi di questa tipologia di batterie, sono molto simili a quelle delle sorelle Li-Ion ma alcuni parametri sono stati sensibilmente migliorati. Dispongono di una maggiore resistenza termica, un’ottima stabilità della tensione, hanno una minore corrente di auto-scarica, una maggiore resistenza all’invecchiamento, (se ben curate e correttamente caricate possono raggiungere i 2000 cicli di carica-scarica), una più alta corrente di picco e sono più ecologiche in quanto il ferro (utilizzato in sostituzione del cobalto) ha un basso impatto ambientale. D’altra parte però sono più ingombranti di una batteria agli ioni di litio a parità di prestazioni (aspetto problematico se utilizzate per una e-bike che può arrivare, con motore e batterie, a pesare tre volte di più di una normale bicicletta con tutte le conseguenze che ne derivano in termini di maneggevolezza e sicurezza di guida).
Batteria al litio polimero (Li-Poly)
Trattasi di uno sviluppo tecnologico dell’accumulatore agli ioni di litio. L’elettrolita (in sale di litio) non è contenuto in un solvente organico bensì in un composito di polimero solido (generalmente poliacrilonitrile). Uno dei principali vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio è che il polimero solido non è infiammabile e le batterie risultano molto meno pericolose in caso di danneggiamento o violenti urti a bordo di una bicicletta elettrica. Inoltre non è necessario inserirle in un contenitore metallico, in tal modo è possibile contenere i pesi ed attribuire alle batterie la forma più adatta al dispositivo sul quale devono essere alloggiate. Uno dei principali svantaggi è invece la minor durata (circa 500 cicli di carica-scarica) rispetto alle batterie agli ioni di litio.
La loro densità energetica è maggiore del 20% rispetto ad una normale batteria agli ioni di litio e pari al triplo di quella delle batterie al nichel cadmio o al nichel metallo idruro. La tensione delle celle delle batterie ai litio polimeri va da circa 2,7 V (tensione da scariche; attenzione però il carico di lavoro deve essere rimosso non appena si toccano i 3,0V) a circa 4,23 V (tensione da cariche oltre la quale non si deve mai salire). Questi valori devono essere tenuti sotto controllo da un circuito di monitoraggio che deve per forza di cose andare a corredo del kit per trasformare la vostra bici in e-bike. Ignorare questi parametri porta ad una precoce perdita di prestazioni della batteria.
Le normali batterie Li-Poly richiedono generalmente oltre un’ora per una ricarica ottimale. Una nota casa giapponese che produce anche computer portatili ha realizzato con questa tecnologia batterie in grado di ricaricarsi in soli 3 minuti. Ottime soprattutto per soluzioni legate all’automotive elettrico. In realtà ad oggi abbiamo solo alcuni piccoli prodotti, quali ad esempio lettori mp3, che sono dotati di simili batterie.
Batteria a schiuma di grafite e litio
Le batterie (della famiglia Li-Ion) più conosciute come A123 racing, sono le batterie a schiuma di grafite e litio (in forma nanometrica) che offrono prestazioni da F1 con ben 3.000 watt/kg (5800 watt/litro) e quindi con più che soddisfacenti rapporti energia/peso ed energia/volume. Possono essere ricaricate fino al 90% della loro capacità in soli 5 minuti e sono in grado di reggere cicli di carica-scarica 10 volte superiori rispetto alle tradizionali batterie ricaricabili. L’arrivo sul mercato di queste batterie sarà inizialmente dedicato agli utensili elettrici (avvitatori, levigatrici, trapani…) per poi raggiungere biciclette elettriche, tagliaerba e vetture ibride.
Le nanotecnologie hanno permesso la creazione di questo nuovo tipo di batteria agli ioni di litio che può fornire un’energia 5 volte superiore rispetto alle normali Li-Ion. Durante le fasi di carica e scarica, le batterie agli ioni di litio trasferiscono gli ioni fra i due elettrodi. Se da un lato diminuire la dimensione delle particelle di litio può aumentare la potenza della batteria, dall’altro può anche favorire la tendenza all’esplosione. Il tecnico Chiang della A123 Systems ha utilizzato materiali più sicuri, che sono addirittura scarsamente conduttivi, con uno stratagemma (generalmente destinato ai semiconduttori) che prevede di dopare un materiale con tracce di un altro al fine di renderlo conduttivo. Successivamente ha ridotto la dimensione delle particelle dopate, per rendere più facile l’uscita degli ioni. Ovviamente i costi sono ancora molto elevati e solo in seguito ad una produzione su larga scala è possibile ottenerli a prezzi decisamente convenienti.
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