Costruire auto con le batterie non è così folle come sembra

Il costo elevato e la gamma limitata di veicoli elettrici possono renderli una vendita difficile e il loro componente più costoso e più limitante sono le batterie.

Tronco di alimentazione: Un ricercatore installa un nuovo cofano del bagagliaio in fibre di carbonio che immagazzina elettricità.

Ma le batterie aprono anche nuove possibilità di design perché possono essere modellate in più modi rispetto ai serbatoi di benzina e perché possono essere realizzate con materiali portanti. Se le loro caratteristiche chimiche possono essere rese più sicure, le batterie potrebbero sostituire i tradizionali pannelli delle portiere e altre parti della carrozzeria, rendendo potenzialmente un veicolo significativamente più leggero, spazioso ed economico. Questo potrebbe aiutare in qualche modo ad aiutare le auto elettriche a competere con quelle alimentate a gas.

Tesla Motors e Volvo hanno dimostrato le prime versioni dell'approccio generale costruendo pacchi batteria che possono sostituire parte del materiale strutturale in un'auto convenzionale. Decine di altri gruppi di ricerca e aziende stanno compiendo ulteriori passi per realizzare batterie che sostituiscano parti del corpo esistenti, come pannelli e telai della carrozzeria.

La capacità di utilizzare le batterie come materiali strutturali è attualmente limitata dall'uso di elettroliti infiammabili, ma i ricercatori stanno sviluppando sostanze chimiche più sicure che potrebbero essere utilizzate più ampiamente. L'approccio solleva anche diverse domande pratiche: i pannelli della carrozzeria che immagazzinano energia possono essere progettati in modo che anche se sono ammaccati, l'auto funzioni ancora? E quanto costerà la carrozzeria? Tuttavia, le case automobilistiche potrebbero ricorrere all'approccio sotto pressione per vendere più veicoli elettrici e ibridi per soddisfare i rigorosi standard futuri di risparmio di carburante.

Le batterie sono l'elemento più costoso delle auto elettriche, quindi renderle più economiche renderebbe anche i veicoli elettrici più economici. Ma anche senza innovazioni significative, i nuovi design delle batterie potrebbero rendere un'auto più leggera.

Un esempio è il modo in cui Tesla ha progettato la batteria per la Model S. L'involucro metallico che protegge la batteria serve anche a rendere più rigido il telaio dell'auto, riducendo la quantità complessiva di metallo necessaria (vedi How Tesla Is Driving Electric Car Innovation).

Questo mese, Volvo ha dimostrato un altro approccio utilizzando batterie agli ioni di litio, che sono fatte di sottili pellicole di materiale che vengono arrotolate o piegate per formare una cella di batteria. Ricercatori presso il Lulea University of Technology in Svezia, in collaborazione con Volvo, ha inserito queste pellicole tra fogli di composito in fibra di carbonio. La struttura risultante è stata utilizzata per sostituire parti della carrozzeria in plastica e una piccola batteria convenzionale su una versione ibrida della Volvo S80. (L'auto è un ibrido stop-start che utilizza una batteria per consentire lo spegnimento del motore ogni volta che l'auto non è in movimento.)

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Agenzia per i progetti di ricerca avanzata per l'energia sta spendendo 37 milioni di dollari in progetti che cercano di utilizzare le batterie come materiali strutturali. (Il programma si chiama RANGE, che sta per Robust, Affordable, Next-Generation Energy Storage Systems). In due progetti ARPA-E, i ricercatori stanno escogitando modi per progettare pacchi batteria per assorbire energia in caso di incidente per sostituire i materiali ora utilizzati per proteggere i passeggeri. Ad esempio, invece di imballare le celle della batteria in un blocco solido, le celle potrebbero spostarsi l'una accanto all'altra in caso di incidente, dissipando energia mentre lo fanno.

La maggior parte degli approcci finora esplorati utilizza ancora celle di batteria convenzionali, le parti del pacco che effettivamente immagazzinano energia. Se è possibile realizzare celle della batteria più sicure, ciò fornirebbe ancora più flessibilità nel modo in cui è possibile progettare un'auto. Non avresti bisogno di racchiuderli in custodie protettive o regolarne la temperatura per evitare incendi della batteria.

Quando non sei ossessionato dalla protezione delle batterie, puoi essere molto più creativo. Non sei limitato all'architettura delle auto convenzionali, dice Ping Liu , che gestisce e ha aiutato a concepire il progetto RANGE di ARPA-E.

A tal fine, diversi ricercatori stanno sviluppando nuove sostanze chimiche che non utilizzano elettrodi infiammabili, quindi le batterie potrebbero essere utilizzate in sicurezza come pannelli per porte. Stanno valutando di sostituire gli elettroliti volatili con polimeri meno infiammabili, materiali a base d'acqua e ceramiche (vedi Batterie a stato solido ). Una volta ottenuto un elettrolita più sicuro, i ricercatori cercheranno modi per utilizzare gli elettrodi della batteria in una cella per sopportare i carichi.

Volvo ha una versione sperimentale di questo approccio che utilizza fibre di carbonio nei materiali compositi per immagazzinare e condurre elettricità, ma anche per rafforzare i compositi. Il dispositivo è stato formato nella forma di un cofano del bagagliaio. Ma potrebbe produrre solo elettricità sufficiente per accendere alcuni LED, quindi non potrebbe sostituire la batteria in un'auto elettrica o in un ibrido. Una versione più recente in fase di sviluppo presso Imperial College di Londra sostituisce la resina epossidica che normalmente tiene insieme le fibre di carbonio in un composito con una miscela di materiali rigidi e liquidi ionici che possono condurre molecole cariche. Questo forma un tipo di supercondensatore che potrebbe immagazzinare energia sufficiente per essere utilizzato al posto di una batteria in un ibrido stop-start.

Per le auto elettriche e ibride con batterie più grandi, i supercondensatori non immagazzinano abbastanza energia. Quindi, per fornire un'autonomia sufficiente, alcuni ricercatori stanno sviluppando batterie agli ioni di litio che utilizzano fibre di carbonio per un elettrodo, ma utilizzano materiali convenzionali agli ioni di litio per quello opposto. Altri hanno sviluppato un elettrolita polimerico non volatile per sostituire quelli convenzionali e infiammabili. Il materiale risultante consentirà di fare due lavori con una cosa, afferma Leif Asp , professore all'Università di Lulea. Diversi progetti ARPA-E stanno adottando questo tipo di approccio.

Tuttavia, questi nuovi elettroliti e celle portanti della batteria sono probabilmente più di un decennio di distanza dall'essere utili nelle auto. Sarà difficile garantire che la batteria immagazzini grandi quantità di energia e possa anche essere abbastanza forte come componente strutturale.

Asp afferma che le prime applicazioni potrebbero essere nell'elettronica portatile, dove le batterie portanti potrebbero sostituire le tradizionali custodie in plastica. Ma se un giorno i componenti dell'auto potranno essere realizzati con tali materiali, le batterie potrebbero finalmente passare da un fattore limitante a un punto di forza.

nascondere