Il battery pack delle e-Mtb è composto al suo interno da un certo numero di celle, ossia, per capirci, da numerose pile stilo collegate tra loro, in serie e in parallelo.
Parliamo quindi di una forma cilindrica, la stessa delle batterie del telecomando del televisore di casa.
Ma perché la scelta è ricaduta proprio su questo formato?
In realtà ci sono molte altre soluzioni, ma perché si predilige la forma cilindrica?
Nel cominciare a rispondere a queste domande, iniziamo con una premessa: a comandare nella produzione di batterie sono l’elettronica e l’automotive che consentono a una determinata tecnologia (ioni di litio), a una specifica dimensione (cilindrica) e ad un determinato range di capacità (Wh) dei costi accettabili.
Si tratta quindi di un compromesso fra costi, dimensioni e prestazioni.
Esistono altre soluzioni?
Ve lo spiegheremo nel proseguo di questo articolo, per aiutarvi a capire come si è arrivati a questa scelta e cosa ci si potrebbe aspettare nel futuro.
UNA FORMA PER OGNI USO
Un elemento importante è il contenitore delle celle: serve a tenere insieme i componenti, ma dal suo utilizzo ne consegue una netta caratterizzazione delle forme:
– Prismatiche: vi è un contenitore prismatico di alluminio o di acciaio sottile, ed è tipico delle celle del tipo Li-ioni. La costruzione permette alta densità di energia, ottima dissipazione del calore, ottimo impacchettamento e sfruttamento dello spazio.
– A busta: le celle sottili a busta fanno il miglior uso dello spazio.
Non hanno contenitore rigido, per cui anche il peso è molto ridotto.
Possono essere costruite in varie forme e utilizzano la tecnologia Litio polimero (LiPo) che garantisce un ottimo rapporto peso/capacità.
Uno dei principali difetti della tecnologia LiPo è la necessità di usare caricabatterie specifici, per evitare incendi ed esplosioni.
La batteria può esplodere se corto-circuitata, a causa della bassissima resistenza interna e della conseguente tremenda corrente impulsiva che attraversa la cella. Inoltre, una cella Li-Po può incendiarsi facilmente se forata, per cui le batterie sono, in varie applicazioni, ricoperte da un involucro plastico che dovrebbe resistere alle perforazioni.
In applicazioni specifiche (ad es. automobili radiocomandate), inoltre, sono richiesti controlli elettronici di coppia per i motori elettrici collegati alla cella, al fine di contenere le correnti di scarica e di conseguenza il danneggiamento della batteria.
Hanno una forte capacità di scarica, non necessaria per i motori delle e-Mtb (limite a 250 W), ma hanno una vita breve, un po’ come un motore da competizione che garantisce ottime prestazioni, ma con una durata e affidabilità inferiori.
– Cilindriche: le celle cilindriche di piccole dimensioni sono molto diffuse, per esempio, in pacchi, per le batterie dei computer portatili.
Le batterie delle e-Mtb utilizzano questa forma. Le dimensioni specifiche dei pacchi da inserire negli spazi di un telaio non sono di alta commercializzazione, per questo sono più costose rispetto ad altri prodotti simili.
LA CHIMICA DELLE BATTERIE LI-ION
La tecnologia della Litio-ioni è quella più diffusa per le batterie delle e-Mtb.
La batteria Litio-ioni usa un anodo di grafite e vari componenti per il catodo.
Gli studi attuali si concentrano sulla struttura del catodo perché questo era soggetto a una instabilità chimica durante la fase di ricarica e poteva incorrere in surriscaldamenti che portavano alla fusione del litio e a una ossidazione veloce e incontrollabile.
E’ per questo che una certa quantità di batterie al litio sono state ritirate negli anni in seguito al rilascio di gas o all’incendio di alcune di esse.
A seguito di questi inconvenienti la produzione di batterie si è concentrata sulla sostituzione del catodo a litio metallico con un catodo a litio non metallico realizzato in modi differenti:
• Litio-Cobalto: è il tipo più diffuso per la costruzione del catodo.
È usato per i computer portatili e per i cellulari. Soffre ancora di problemi di riscaldamento, come pure di qualche instabilità in caso di perforazione del contenitore. Per questi motivi è il meno adottato per i veicoli elettrici.
• Litio-Ferro-Fosfato: possiede una stabilità termica migliore.
Il litio fosfato è incombustibile e sotto corto circuito non si decompone. Permette una vita ciclica della batteria alta, anche se ha energia più bassa di quelle Litio–Cobalto, ma potenza superiore. E’ comunque migliore per sicurezza, costo e tossicità.
• Litio-ossido di Manganese: offre un’alta tensione di cella e stabilità termica, ma una energia un po’ minore delle altre.
Il costo è basso e i materiali non sono tossici. Buone prestazioni ad alta temperatura.
• Litio-ossido di Titanio: queste celle rimpiazzano l’anodo di grafite con uno di titanato di litio. Offrono caratteristiche elettriche soddisfacenti ed evitano i pericoli di combustione della grafite.
• Litio-Nichel-Cobalto-Manganese (quella delle nostre e-Mtb): rappresentano un miglior compromesso tra le varie caratteristiche delle tecnologie e sono denominate più comunemente NCM.
LE BATTERIE DELLE E-MTB
In particolare, per le e-bike, il formato più diffuso è quello cilindrico 18650, una sigla che indica il diametro del cilindro (18 mm) e la sua altezza (65 mm).
Queste celle al litio sono diventate di uso comune anche nel settore delle automobili elettriche, soprattutto grazie a Tesla e, come dicevamo, la chimica utilizzata per queste celle è la Nickel-Cobalto-Manganese.
Recentemente però sono state introdotte nuove celle, leggermente più grandi, le 21700 (più comunemente chiamate 2170). Le troviamo ad esempio su Turbo Levo, Orbea Rise e la Olympia Ex-900 Sport.
Pur sembrando simili, in realtà queste celle possono immagazzinare mediamente fino al 50% in più di energia, ottimizzando ancora di più lo spazio.
Se infatti le 18650, a seconda della composizione chimica del produttore, possono avere una capacità fino a 3.500 mAh, le 21700 arrivano anche a 6.000 mAh. Ciò significa che in poco più dello spazio di una batteria da 500 Wh, si può ottenere qualcosa vicino ai 700 Wh, o anche di più.
Un esempio su tutti sono, come dicevamo, la Specialized Turbo Levo (700 Wh) o la Olympia Ex-900 Sport, in grado di occupare in un tubo obliquo “classico” una batteria da ben 900 Wh.
Le 21700 hanno nel diametro la grande differenza, risultando così più difficili da organizzare (visto il maggior volume) e richiedono nuove soluzioni di “impacchettamento”.
Guardate l’immagine in basso che mostra la sezione del pacco batterie della Olympia.
Sul capitolo costi, ancora una volta dobbiamo citare Tesla, perché è tra i maggiori consumatori di queste celle, per via dei suoi veicoli elettrici che richiedono una massiccio impiego di celle elementari come quelle sopra citate. Di conseguenza il prezzo di queste batterie è diminuito, rendendo sostenibile il loro utilizzo in campo e-bike.
Sono queste le due celle elementari che compongono i pacchi batteria delle e-Mtb, ma perché proprio loro e non altre soluzioni?
IL FUTURO?
Quello che vorremmo in una e-Mtb del futuro è la possibilità di avere più energia in meno spazio e con minor peso.
Come sempre è una questione di necessità e di compromessi.
Capacità in proporzione a peso, volume e affidabilità nel tempo.
Le attuali celle polimeriche (LiPo) hanno una struttura a fogli flessibili, spesso pieghevoli, per cui non hanno un contenitore rigido e possono quindi essere modellate a piacimento.
Quindi, uno dei grandissimi vantaggi della tecnologia Li-Po è che i costruttori potrebbero sagomare la forma delle batterie più o meno a loro piacimento: questo può essere cruciale per i costruttori di telefoni cellulari, che costantemente lavorano su dispositivi sempre più piccoli, sottili e leggeri, come anche per i produttori di bici a pedalata assistita che potrebbero sfruttare ogni pertugio del telaio.
Di contro sono però molto pericolose e hanno una vita breve (cicli di carica e scarica).
La soluzione nell’immediato futuro sembra essere ancora quella delle celle cilindriche Litio-ioni.
I brand di bici dovranno ancora per un po’ utilizzare le celle create per altri scopi, adattandole ai progetti delle e-Mtb.
Però c’è da aspettarsi che, grazie ad una crescente diffusione di mezzi elettrici (auto, moto, bici…), ci saranno ulteriori investimenti in ricerca e sviluppo su queste tecnologie per trovare altri composti chimici in grado di aumentare l’efficienza e le capacità delle celle elementari che compongono le batterie delle e-Mtb.
Ogni anno assistiamo all’introduzione di numerose migliorie tecnologiche e, grazie anche a questo articolo, ora siamo consapevoli che c’è ancora tanto margine per il nostro settore.
E questo ci fa un gran piacere…
Dell’importanza della tensione (Volt) per l’insieme batteria-motore ne abbiamo parlato nell’articolo linkato in basso:
Motore a 36 V o 48 V: cosa cambia e qual è meglio scegliere?
