Un’oncia di prevenzione vale una libbra di cura – Come l’EIS viene utilizzato per migliorare la salute delle batterie nei veicoli elettrici

I veicoli elettrici (EV) hanno guadagnato molta popolarità negli ultimi anni, spinti dal cambiamento globale verso l’energia pulita e il trasporto sostenibile.

Poiché producono zero emissioni allo scarico, gli EV sono significativamente migliori per l’ambiente rispetto ai loro equivalenti a benzina e diesel. Questo rende gli EV una tecnologia chiave per la decarbonizzazione del trasporto su strada, responsabile di circa un sesto delle emissioni globali.

Hanno anche costi di gestione e manutenzione inferiori rispetto ai veicoli a combustione interna, rendendoli molto più efficienti ed economici.

Con ciò, la popolarità e l’adozione degli EV stanno crescendo notevolmente, con quasi una su cinque auto vendute nel 2023 che è elettrica. Dopo aver superato la soglia dei 10 milioni nel 2020, il numero di auto elettriche su strada ha raggiunto i 40 milioni lo scorso anno.

Nel solo 2023, le vendite di auto elettriche sono state quasi 14 milioni, del 95 % delle quali in Cina, Europa e Stati Uniti. Come risultato di questa espansione, gli EV rappresentano ora circa il 20 % di tutte le vendite di auto nuove a livello mondiale, con una previsione di aumento verso il 50 % entro il 2030.

Non esiste un solo tipo di EV, però; ci sono diversi tipi:

• Veicoli Elettrici a Batteria (BEV)
• Veicoli Elettrici Ibridi Plug‑In (PHEV)
• Veicoli Ibridi Elettrici (HEV)
• Veicoli Elettrici a Celle a Combustibile (FCEV)

Tra questi, gli EV alimentati a batteria sono i più comuni, rappresentando il 70 % del parco auto elettrico nel 2023.

I BEV sono interamente alimentati da elettricità e possono essere ricaricati da fonti esterne. Sono più efficienti rispetto ai veicoli ibridi e ibridi plug‑in.

Poiché le batterie sono la fonte di energia degli EV, sono il componente più importante di un veicolo elettrico. Sostituendo i motori a combustione interna, gli EV a batteria possono ridurre significativamente l’inquinamento, favorire l’integrazione di fonti rinnovabili come vento e solare e garantire la sostenibilità.

Per gli EV, lo stato delle batterie determina le loro prestazioni. È la loro capacità, misurata in kilowattora, a indicare quanta energia la batteria può immagazzinare e quanto lontano l’auto elettrica può percorrere con una singola carica.

Maggiore è la densità energetica della batteria, maggiore è l’autonomia per carica. Inoltre, la ricarica rapida è essenziale per consentire ai proprietari di EV di ricaricare i loro veicoli rapidamente.

Attualmente, gli EV utilizzano una varietà di batterie, tra cui le al litio, le più comuni. Le batterie al piombo‑acido sono una scelta popolare, soprattutto negli Stati Uniti, per il loro rapporto costo‑efficacia e la lunga durata, mentre il litio‑zolfo aumenta la capacità teorica di carica.

Oltre alla crescente consapevolezza ambientale e agli incentivi governativi, i progressi nella tecnologia delle batterie, in particolare, che hanno reso gli EV più efficienti ed economici, stanno guidando l’adozione dei veicoli elettrici.

Le batterie svolgono quindi un ruolo cruciale negli EV e nella più ampia transizione verso l’energia pulita, il che rende essenziale avere una migliore comprensione del loro stato e delle loro condizioni. Per questo, i ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnologia che monitora lo stato delle batterie con alta precisione per massimizzare la loro efficienza e stabilità a lungo termine.

Tecnologia per la Diagnosi Precisa delle Batterie degli EV

I ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hanno creato questa nuova tecnologia per la diagnosi accurata dello stato delle batterie degli EV, essenziale per la loro gestione efficiente e uso sicuro, utilizzando solo piccole quantità di corrente.

Questo sviluppo è stato annunciato la scorsa settimana da KAIST, che ha osservato che un team di ricercatori guidato dai professori Sang‑Gug Lee e Kyeongha Kwon della School of Electrical Engineering aveva costruito la tecnologia di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS).

Questa tecnologia EIS può essere utilizzata per migliorare le prestazioni e la stabilità delle batterie ad alta capacità nei veicoli elettrici.

La spettroscopia di impedenza elettrochimica è uno strumento potente che misura la magnitudine dell’impedenza e le variazioni in una batteria, consentendo la valutazione dell’efficienza e delle perdite della batteria.

L’impedenza della batteria è semplicemente una misura della resistenza al flusso di corrente all’interno della batteria. Questo metodo non invasivo per prevenire il guasto della batteria identifica semplicemente i primi segnali di debolezza o deterioramento e ne esamina le prestazioni e lo stato.

Strumento importante per valutare lo stato di carica e la salute della batteria, può anche analizzare cambiamenti chimici o fisici, descrivere le caratteristiche termiche, individuare le cause dei guasti e prevedere la durata della batteria.

Tuttavia, le apparecchiature EIS convenzionali non sono solo costose ma anche complesse, il che rende difficile l’installazione, l’operatività e la manutenzione.

Poi c’è la questione delle limitazioni di precisione e sensibilità, il che significa che quando applichiamo disturbi di corrente di diversi ampere a una batteria, può provocare uno stress elettrico significativo. Questo, a sua volta, aumenta il rischio di incendio o guasto della batteria, rendendo difficile l’uso pratico.

Quindi, per affrontare tutti questi problemi, il team di ingegneria di KAIST ha creato un sistema EIS a bassa corrente per diagnosticare lo stato delle batterie EV altamente efficienti e la loro salute.

Questo nuovo sistema può misurare l’impedenza della batteria con precisione usando disturbi di corrente bassi, cioè 10 mA. Durante il processo di misurazione, la nuova tecnologia EIS minimizza gli effetti termici e i problemi di sicurezza.

Un altro vantaggio di questo sistema è che riduce la necessità di componenti ingombranti e costosi. Pertanto può essere facilmente integrato nei veicoli.

Il nuovo sistema EIS ha effettivamente dimostrato il suo successo nel determinare le proprietà elettrochimiche delle batterie EV in diverse condizioni operative. Ciò include varie temperature e livelli di stato di carica (SOC).

L’integrazione semplice del sistema nel battery management system (BMS) degli EV, insieme alla sua alta precisione di misurazione e alla ridotta complessità e costo rispetto ai metodi EIS ad alta corrente convenzionali, lo rende davvero vantaggioso per gli EV.

Secondo il professore corrispondente Kyeongha Kwon, il sistema può anche contribuire alla diagnosi delle batterie e al miglioramento delle prestazioni per i sistemi di accumulo di energia (ESS).

Altri Sviluppi nello Stato e nella Sicurezza delle Batterie EV

Data l’importanza delle batterie, i ricercatori hanno lavorato su diversi metodi per ottenere una migliore comprensione delle loro condizioni. Dopotutto, la capacità delle batterie EV declina di circa il 10 % in circa 6,5 anni di funzionamento continuo. Inoltre, sovraccarico e scarica eccessiva contribuiscono a questo declino.

Lo scorso anno, un team di ricercatori del Michigan Engineering ha creato una formula per diagnosticare e monitorare una batteria senza smontarla. La formula, che può essere applicata anche ad altri dispositivi fotonici ed elettronici, funziona per qualsiasi combinazione di materiali della batteria.

Un metodo che i ricercatori usano per investigare le batterie è applicare una debole corrente alternata, simile a quella proveniente da una presa di corrente ma molto più debole, per sondare la batteria. In questo processo, l’impedenza varia a seconda della frequenza della corrente alternata o della rapidità con cui cambia direzione.

Una misura chiave è come l’impedenza varia con la frequenza, ottenuta scansionando la frequenza dal basso all’alto. Per ottenere ciò, è necessario costruire una relazione tra i materiali della batteria e la loro firma. Tuttavia, il team ha ideato una propria formula per descrivere la relazione. E una volta che l’impedenza è misurata a poche frequenze, la formula può prevedere l’impedenza in funzione della frequenza per un ampio intervallo di frequenze.

Secondo il team, la formula serve a mostrare l’impedenza dei materiali usando solo pochi punti sperimentali. Semplifica l’intero processo di modellazione del flusso di elettricità attraverso dispositivi realizzati con vari materiali e non richiede la conoscenza preventiva della microstruttura del materiale.

Può inoltre aiutare a progettare elettroliti solidi migliori, individuare le caratteristiche di impedenza di altri componenti delle batterie e costruire modelli di batteria accurati per fornire un controllo più sicuro ed efficiente durante la carica e la scarica.

Al momento, il team ha dichiarato che intende utilizzare la formula per comprendere e poi progettare elettroliti allo stato solido con materiali misti, che possono fornire maggiore capacità e migliore sicurezza.

I progressi nella progettazione strutturale delle batterie, nei materiali e nei sistemi di monitoraggio sono continui, migliorando le misure di sicurezza per prevenire cortocircuiti interni e runaway termico. Per questo, i ricercatori si concentrano sempre più sul ruolo degli anodi a base di silicio, in particolare sulla distribuzione delle particelle di SiO all’interno dello strato dell’anodo, per ottenere una maggiore densità energetica controllando gli effetti avversi durante il ciclo, migliorando così sicurezza e longevità.

Per quanto riguarda la progettazione e l’assemblaggio delle batterie, gli adesivi stanno emergendo come componente critico, offrendo vantaggi come prestazioni migliorate ottimizzando l’interfaccia termica tra le celle della batteria e i sistemi di raffreddamento, maggiore flessibilità di design legando una varietà di materiali, gestione energetica migliorata per la sicurezza e risparmi sui costi semplificando i processi di produzione.

Ricercatori e aziende stanno anche sfruttando l’IA per la scoperta di materiali per batterie e la produzione. Sebbene la tecnologia delle batterie EV sia progredita notevolmente negli ultimi anni, persistono diversi problemi riguardo ai materiali, al design, all’autonomia e ai sistemi di gestione delle batterie.

Il battery management system (BMS) in un EV riguarda garantire efficienza, sicurezza e longevità ottimizzando le prestazioni della batteria. Le stime tradizionali della batteria riguardo alla sua salute e carica per prevedere il degrado futuro non sono state accurate, il che ha portato all’uso di algoritmi di machine learning per il BMS che analizzano i dati in tempo reale per stime precise dello stato di salute della batteria (SOH) e dello stato di carica (SOC). Il BMS utilizza quindi queste stime per ottimizzare le prestazioni della batteria.

Il mercato globale della formazione e test delle batterie EV è in realtà in rapida crescita, ed è stato valutato a 1,9 miliardi di dollari nel 2023. Si prevede che questo mercato crescerà a un CAGR superiore al 17,6 % nei prossimi otto anni, raggiungendo 7,8 miliardi di dollari entro il 2032.

Questo crescita è guidata dall’aumento dell’adozione degli EV e dalla conseguente produzione di batterie, dai progressi tecnologici nella chimica delle batterie, nella sicurezza e nei requisiti di affidabilità, e da una crescente attenzione alla sostenibilità e alla riduzione delle emissioni di carbonio.

Qualche mese fa, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha anche annunciato 43 milioni di dollari di finanziamento per progetti che avanzeranno la ricerca, lo sviluppo e l’implementazione in aree critiche delle batterie. L’obiettivo dell’iniziativa è promuovere innovazioni nella produzione di batterie EV a basso costo, ridurre i guasti, migliorare la sicurezza delle batterie e rafforzare la catena di approvvigionamento nazionale dei materiali per batterie.

Ciò è in linea con il National Blueprint per la Decarbonizzazione dei Trasporti degli USA, che mira a eliminare tutte le emissioni dal settore dei trasporti entro il 2050 avanzando le tecnologie delle batterie per alimentare EV sicuri ed efficienti a zero emissioni.

Aziende che Aiutano a Avanzare la Gestione delle Batterie EV

Ora, diamo un’occhiata alle aziende che operano all’intersezione della tecnologia di salute delle batterie EV, dei sistemi BMS e dei progressi EIS, tutti cruciali per sostenere il mercato EV e ottimizzare la durata e la sicurezza delle batterie.

Tesla di Elon Musk Tesla (TSLA ) è tra le più importanti, ed è fortemente impegnata in batterie ad alta capacità e lunga durata per gli EV. Con le azioni di Tesla in rialzo del 4,83 % quest’anno, la sua capitalizzazione di mercato è attualmente di 830,7 miliardi di dollari.

Poi c’è la QuantumScape Corporation (QS ) con una capitalizzazione di mercato di 3,24 miliardi di dollari, che sviluppa batterie al litio‑metallo allo stato solido per gli EV, mentre la Enovix Corporation (ENVX ) con una capitalizzazione di 1,9 miliardi di dollari sta sviluppando batterie al litio‑ioni con anodo al silicio avanzato. L’Albemarle Corporation (ALB ) con una capitalizzazione di 11,18 miliardi di dollari è un produttore leader di litio ed è coinvolta nel miglioramento dell’efficienza e della sicurezza delle batterie. Le azioni di QS, ALB e ALB sono in calo del 6,47 %, 34,14 % e 13,14 % quest’anno, rispettivamente.

Analog Devices (ADI ) è una società da 114 miliardi di dollari le cui azioni sono in rialzo del 15,67 % YTD. Nel frattempo, fornisce soluzioni di battery management system (BMS) per le batterie EV.

Ora, diamo uno sguardo più approfondito a un’altra azienda correlata che ha avuto buone performance quest’anno.

General Motors Company (GM )

Il gigante automobilistico con una capitalizzazione di mercato di 59,2 miliardi di dollari ha visto le sue azioni salire notevolmente quest’anno. Con poco più di due mesi rimasti nel 2024, il prezzo di GM è aumentato del 46,77 % e scambia a 52,9 dollari. Ha un EPS (TTM) di 9,37 e un rapporto P/E (TTM) di 5,63, con un rendimento da dividendo dello 0,91 %.

General Motors è impegnata nella progettazione, costruzione e vendita di auto, camion e parti automobilistiche, oltre a fornire servizi abilitati dal software. È anche all’avanguardia negli avanzamenti della tecnologia delle batterie, della sicurezza e delle prestazioni per la sua flotta EV tramite la piattaforma Ultium.

Ultium è stata presentata per la prima volta nel 2020, e la sua CEO, Mary Barra, l’ha definita:

“Una strategia EV multi‑marca e multi‑segmento con economie di scala che rivaleggiano con il nostro business di camion di grandi dimensioni, con molta meno complessità e ancora più flessibilità.”

Durante un recente incontro, Barra ha annunciato che il marchio di batterie Ultium sta per essere eliminato, ma ha affermato che le vendite di EV miglioreranno. La gamma EV di GM include Chevy Equinox e Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq e Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, vicepresidente delle celle batteria di GM, ha comunque riconosciuto l’importanza di Ultium nell’aiutare a lanciare l’ampia gamma di nuovi modelli EV, osservando:

“(L’azienda) sta passando da una soluzione unica per tutti a batterie specifiche per nuovi programmi.”

GM sta ora valutando diverse chimiche di batterie per soddisfare meglio le richieste di prestazioni.

L’azienda automobilistica sta inoltre pianificando la costruzione di un centro di prototipazione di batterie nel Michigan, che aprirà nel 2027, e potrà ridurre il tempo di sviluppo delle batterie fino a un anno.

Questa settimana, GM ha riportato i suoi risultati finanziari per il Q3 2024, che hanno rivelato un fatturato trimestrale di 49 miliardi di dollari, in crescita del 10 % su base annua, mentre il flusso di cassa libero automobilistico rettificato è stato di 5,8 miliardi di dollari, un aumento di 900 milioni rispetto all’anno precedente. In questo periodo, GM ha effettuato riacquisti di azioni per un valore di 1 miliardo di dollari.

L’azienda ha visto la sua quota di mercato al dettaglio negli USA crescere nel Q3, mentre l’ambiente operativo in Cina è rimasto difficile. I costi di garanzia sono aumentati a causa delle pressioni inflazionistiche.

Per quanto riguarda gli EV, l’azienda è sulla buona strada per produrre 200.000 EV in Nord America quest’anno. Nonostante i progressi, il business EV di GM sta ancora lavorando per raggiungere la redditività e prevede un miglioramento delle perdite EV compreso tra 2 e 4 miliardi di dollari.

Conclusione

Mentre le transizioni verso l’energia pulita accelerano rapidamente, grazie a politiche governative, incentivi e strategie industriali, il mondo è passato ai veicoli elettrici. La rapida crescita degli EV sottolinea il ruolo essenziale delle batterie e, di conseguenza, richiede alta efficienza e sicurezza. Tecnologie come la spettroscopia di impedenza elettrochimica e i sistemi innovativi di gestione delle batterie possono aiutare a perfezionare il monitoraggio della salute delle batterie EV e contribuire a un uso più sicuro e sostenibile degli EV.

Man mano che più studi, aziende e governi si concentrano sul miglioramento della diagnostica delle batterie EV, vedremo batterie più durature, design più sicuri e stoccaggio di energia efficiente, tutti elementi cruciali affinché gli EV raggiungano l’adozione di massa. Queste innovazioni possono inoltre contribuire a raggiungere ambiziosi obiettivi climatici globali, portando a un futuro più pulito e sostenibile.

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