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Durata batterie al litio auto elettriche, la garanzia quanto dura

Quanto dura la batteria di un'auto elettrica? Si parla di una vita media garantita di 8 anni e 160.000 km per Renault, Nissan, Tesla, Mercedes, BMW. Cerchiamo di capire come e perché si degradano nel tempo le batterie agli ioni di litio

L’impiego delle batterie al litio nei veicoli elettrici sta spingendo la ricerca dell’industria del settore a studiare come aumentarne la durata e al contempo gli esperti hanno cominciato ad analizzare le cause dei guasti e del deterioramento naturale. Cerchiamo di capire quanto dura una batteria al litio di un’auto elettrica e come funziona la garanzia.

Quanto dura una batteria al litio di un auto elettrica?

Quanto dura una batteria al litio di un’auto elettrica? Mentre la durata di 3 anni e 500 cicli di ricarica per una batteria del PC o uno smartphone è accettabile, gli 8 anni di vita di una batteria per auto elettrica, che possono sembrare tanti, in realtà preoccupano l’acquirente di un EV.

La sostituzione del pacco batterie in un auto elettrica incide molto e costa quanto un’auto compatta con motore endotermico tradizionale. Se la vita delle batterie potesse essere estesa, per esempio, fino a 20 anni, l’alto investimento iniziale necessario per l’acquisto di un’auto elettrica potrebbe essere maggiormente giustificato.

Quanto dura effettivamente la batteria di un’auto elettrica?

I produttori di veicoli elettrici scelgono batterie che sono ottimizzate per la durata piuttosto che per un’alta energia specifica; queste batterie sono più grandi e più pesanti di quelle usate nell’elettronica di consumo.

Nuova Nissan Leaf 2018
La durata di una batteria per auto elettriche è di circa 8 anni

Garanzia batteria auto elettrica Nissan, Tesla, Mitsubishi, BMW, Renault

Garanzia di 8 anni o 160.000 km di garanzia per Nissan Leaf, di Mitsubishi per Outlander Phev, stesso periodo ma ridotta da BMW sulla i3 e sulla i8 ad un chilometraggio di appena 100.000 km.

Renault sulle batterie a noleggio garantisce l’efficienza sempre superiore al 75% della capacità iniziale: se scende viene “ripristinata” al 100% con aggiornamento BMS o in caso di guasto riparata e sostituita in tempi rapidi.
Sempre Renault nel caso di batteria acquistata, garantisce la capacità di carica della batteria della ZOE di almeno 66% del suo livello iniziale per almeno 8 anni o 160.000 Km fino al primo dei 2 termini raggiunto.

Anche sulla nuova EQC di Mercedes la garanzia sulla batteria è di 6 anni o 160.000 Km.

Batteria Nissan Leaf prima serie, quando durano?

Le batterie scelte per il powertrain elettrico sono sottoposte a duri cicli di test. Nissan aveva selezionato per la prima serie della Leaf una batteria al litio-manganese, a causa delle sue interessanti prestazioni. Il protocollo di test impiegato prevedeva una ricarica rapida a 1,5 Coulomb (C) in meno di un’ora e una scarica a 2,5 C per 20 minuti a una temperatura di circa 60 °C.

Sottoposta a queste dure condizioni, la batteria a lunga durata dovrebbe perdere il 10% dell’efficienza dopo 500 cicli di ricarica, che rappresentano 1-2 anni di guida. Questo test simulava una marcia del veicolo elettrico in condizioni molto pesanti (comprese sgommate tipiche di una guida aggressiva) e nonostante tutto la capacità di ricarica della batteria di manteneva intorno al 90%.

Nonostante i test così accurati e intensivi i proprietari della Leaf prima serie hanno constatato una perdita di capacità del 27,5% dopo due anni di utilizzo e questo senza una guida particolarmente aggressiva. Cos’è che ha causato questa grossa differenza rispetto ai test?

I ricercatori hanno smontato le batterie danneggiate: srotolando la striscia di nastro di metallo lunga un metro e mezzo che forma l’anodo e il catodo della batteria, ricoperta di ossidi, hanno scoperto che la fine struttura dei nanomateriali era diventata grossolana.

Batteria e motore Nissan Leaf prima serie
Batteria e motore Nissan Leaf prima serie

Degrado batteria Nissan Leaf prima serie

Studi più approfonditi hanno rivelato che gli ioni di litio responsabili del trasporto delle cariche elettriche tra gli elettrodi erano diminuiti nel catodo ed erano permanentemente passati sull’anodo, quindi il catodo aveva una concentrazione di litio minore rispetto a una nuova cella. Questo fenomeno è irreversibile.

I ricercatori hanno studiato l’efficienza con la quale gli elettroni sono trasferiti durante i cicli di carica e di scarica, detta efficienza coulombiana.

Cosa succede durante la carica di una batteria al litio?

Durante la carica il litio precipita sull’anodo in grafite e modifica la differenza di potenziale. Si crea un film chiamato Solid Electrolyte Interface (SEI) formato dagli atomi di litio sulla superficie dell’anodo. È composto da ossido di litio e carbonato di litio e cresce ad ogni ciclo di ricarica: lo strato diventa più spesso e forma una barriera che ostacola l’interazione con la grafite. L’efficienza coulombiana varia a seconda del tipo di cella, come si può vedere nella tabella

Tipo di cella

Materiale

Efficienza coulombiana

Caratteristiche

Impieghi

Litio – Ossido di cobalto

LiCoO2
(60% Co)

Buona, scende leggermente a 50-60°C

Alta capacità , potenza limitata, fragile

Smartphone e PC laptop

Litio – Ossido di manganese

LiMn2O4

Bassa, cala ulteriormente a 40°C

Alta capacità, elevata potenza, resistente a usi intensi.

Attrezzi, e-bike, veicoli elettrici, strumenti medici, UPS

Litio – fosfato di ferro

LiFePO4

Media, cala a 50-60°C

Litio – Ossidi di nickel, manganese e cobalto

LiNiMnCoO2
(10–20% Co)

Buona, un piccolo calo a 60°C

Litio – Ossidi di nickel, cobalto e alluminio

LiNiCoAlO2
(9% Co)

non ancora misurata

Veicoli elettrici (Tesla Model S), batterie per sistemi di storage collegati alla rete

Titanato di litio

Li4Ti5O12

Eccellente

Grande durata ma costose e con bassa energia specifica

Al catodo avviene un fenomeno simile, noto anche come ossidazione dell’elettrolita (EO): più la batteria rimane sotto un’alta tensione più velocemente avviene la degradazione.

Per alta tensione in questo caso intendiamo una tensione di cella pari a 4,10 Volt. Gli studi comparativi sono stati realizzati caricando le celle a 3,92 Volt.

Fabbrica Nissan di Sunderland per batterie di auto elettriche
Fabbrica Nissan di Sunderland per batterie di auto elettriche

Durata batterie, quanto dichiarano Toyota, Tesla, la garanzia quanto dura

Batteria Tesla Roadster, durata

Nella scelta delle batterie per autotrazione, i costruttori di auto elettriche hanno optato per diverse soluzioni. Tesla ha impiegato una batteria da 18.650 celle, utilizzando quelle che erano facilmente disponibili sul mercato e avevano un prezzo basso.

Questa è stata la particolare soluzione adottata per la Tesla Roadster, la prima auto elettrica di Tesla. Le celle appena menzionate sono progettate per dispositivi portatili o impieghi militari, quindi hanno un’elevata efficienza coulombiana che si traduce in una maggiore longevità.

I nuovi modelli Tesla si basano sulla stessa filosofia progettuale, ovvero il sovradimensionamento del pacco batterie, per ridurne lo stress durante il funzionamento. Questo approccio denota che Tesla ha concentrato i suoi sforzi sull’ottenimento di un’alta densità di energia per la massima autonomia. L’aspetto negativo del sovradimensionamento è un maggiore consumo di energia, dovuto al maggiore peso del veicolo, e un prezzo più alto della batteria.

Tesla Roadster 2020
Tesla Roadster

Toyota sulla Prius ha sostituito le batterie Ni-MH della precedente generazione con le nuove agli ioni di litio, Li-ion, garantite per 8 anni o 300.000 km.
Tesla fissa un periodi di 8 anni con un chilometraggio di 200.000 km per le batterie a 60 kWh: quelle da 70 kWh non sono fissati limiti di percorrenza.

Perchè si rovinano le batterie delle auto elettriche?

Riepilogando, gli eccellenti risultati di laboratorio ottenuti dalle batterie al litio-manganese impiegate sulla prima Nissan Leaf non sono stati confermati nell’uso reale a causa dei danni provocati alla batteria dalla permanenza a tensioni di cella elevate e alte temperature. Il test dell’efficienza coulombiana ha rivelato che queste ultime due condizioni provocano più danni dei cicli di carica e scarica.

4 fattori che causano la perdita di capacità della batteria al litio

I 4 fattori principali che causano perdita di capacità e fine vita delle batterie sono:

  • degradazione meccanica degli elettrodi o perdita di pressione nelle celle a sacchetto. Un accurato progetto delle celle e una corretta scelta degli additivi negli elettroliti riduce questo fenomeno.

  • crescita del SEI sull’anodo, che aumenta la resistenza interna. La crescita di questo strato provoca la perdita di efficienza nella maggior parte delle batterie al litio con grafite, quando la tensione di carica è tenuta sotto i 3,92 V a cella. Anche in questo caso l’impiego di additivi nell’elettrolita rallenta la degradazione.

  • formazione dell’ossidazione dell’elettrolita (EO) al catodo, che porta a un’improvvisa perdita di capacità della batteria. È provocato da tensioni di cella superiori a 4,10 V e alte temperature.

  • “placcatura” di litio sull’anodo causata da elevate frequenze di ricarica.

Degrado batteria agli ioni di litio nel tempo

Temperatura 40% di carica 100% di carica
0 °C (32 °F) 2% di perdita dopo 1 anno 6% di perdita dopo 1 anno
25 °C (77 °F) 4% di perdita dopo 1 anno 20% di perdita dopo 1 anno
40 °C (104 °F) 15% di perdita dopo 1 anno 35% di perdita dopo 1 anno
60 °C (140 °F) 25% di perdita dopo 1 anno 40% di perdita dopo 3 mesi

Dalla tabella riepilogativa si intuisce che bisogna evitare di lasciare una batteria agli ioni di litio con il pieno della carica: con il 40% di carica durerà molto di più di una carica al 100%.
Per cui anche su un’auto elettrica maggiormente è carica e maggiore sarà il suo degrado nel tempo.

Vale il contrario e bisogna fare attenzione: se una batteria agli ioni di litio viene lasciata con poca carica, c’è il rischio di far scendere la tensione sotto la soglia di basso-voltaggio: se la carica è scesa sotto un certo livello può essere pericoloso ricaricarla. Attenzione perchè c’è un circuito interno di sicurezza che potrebbe impedirne la ricarica e la batteria sarà completamente inutilizzabile.

Aggiornamento BMS e “ripristino” batteria auto elettrica SOH

Quasi tutti i costruttori di batterie per auto elettriche per porre rimedio a questa inevitabile perdita di capacità nel tempo conservano una riserva di kWh che non viene utilizzata. Dopo un certo periodo quando il SOH (autonomia residua e stato di salute) della batteria scende sotto una soglia definita (es 75%) attraverso la riprogrammazione del BMS (sistema di controllo e gestione elettronico integrato nella batteria) rispristinano lo stato della batteria al 100% come fosse nuova.

Se sei arrivato qui in fondo dovresti aver capito che le batterie di un auto elettrica non durano a vita, ma lentamente perdono la capacità di immagazzinare energia nel tempo anche se inutilizzate.

Batteria Nissan Leaf prima serie
Batteria Nissan Leaf prima serie

Auto elettriche 2019, lista aggiornata

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Manuel Cerfeda

Da sempre appassionato di automobilismo e di scrittura. È ingegnere e lavora nel campo delle energie rinnovabili. Ama leggere libri di tecnica motoristica e automobilistica, in particolare sulla storia della Formula 1 e delle auto da competizione in genere. Molto attratto dalle auto storiche, in particolare le youngtimer: il suo sogno è una Porsche 911 Carrera 4 Targa, serie 964 del 1989. Possibilmente rossa. E' autore umoristico e satirico: scrive sulla rivista “L’odio digitale” e ha pubblicato i libri “Autopsie ipocaloriche e altri metodi per perdere peso” e “L'anagramma di derma (non madre, quell'altro)”.
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