Batteria cilindrica o cella prismatica: qual è la migliore per i veicoli elettrici?

Se guidi un'auto a benzina o diesel, avrai familiarità con la batteria a forma di scatola posizionata comodamente in un angolo, sotto il cofano. Pastella al piombo pesante e voluminosai non sono adatti alle auto elettriche, che ospitano migliaia di batterie leggere. Per ottenere un impilamento compatto, le batterie sottili a forma di lastra sono una scelta migliore. Questi sono disponibili in due varietà, vale a dire i tipi Pouch e Prismatic, la differenza sta rispettivamente nel loro involucro flessibile e rigido. Nel 2010, quando furono lanciate le prime auto alimentate da batterie agli ioni di litio, i design Pouch e Prismatic erano ben consolidati nei dispositivi elettronici di consumo e la loro adozione nelle auto elettriche fu una scelta pragmatica. Per un paio d’anni queste due varietà hanno dominato il mercato dei veicoli elettrici.

La svolta nella storia arrivò nel 2012, quando Tesla introdusse la sua berlina Model S utilizzando batterie cilindriche agli ioni di litio relativamente economiche. Figura 1 mostra che questi tre formati sono stati costantemente in competizione per la quota di mercato.

Dalla Figura 1 si può vedere che tra il 2013 e il 2019 le batterie cilindriche hanno sostituito il tipo prismatico e hanno raggiunto la posizione dominante sul mercato. Ciò era dovuto principalmente a Tesla. Ma la marea sta cambiando di nuovo? Sembra che dal 2021 il formato Prismatic si stia facendo nuovamente strada in prima linea.

Evoluzione delle quote di mercato dei formati di batterie per veicoli elettrici

Se guidi un'auto a benzina o diesel, avrai familiarità con la batteria a forma di scatola posizionata comodamente in un angolo, sotto il cofano. Le batterie al piombo pesanti e ingombranti non sono adatte alle auto elettriche, che ospitano migliaia di batterie leggere. Per ottenere un impilamento compatto, le batterie sottili a forma di lastra sono una scelta migliore. Questi sono disponibili in due varietà, vale a dire i tipi Pouch e Prismatic, la differenza sta rispettivamente nel loro involucro flessibile e rigido. Nel 2010, quando furono lanciate le prime auto alimentate da batterie agli ioni di litio, i design Pouch e Prismatic erano ben consolidati nei dispositivi elettronici di consumo e la loro adozione nelle auto elettriche fu una scelta pragmatica. Per un paio d’anni queste due varietà hanno dominato il mercato dei veicoli elettrici.

La svolta nella storia arrivò nel 2012, quando Tesla introdusse la sua berlina Model S utilizzando batterie cilindriche agli ioni di litio relativamente economiche. La Figura 1 mostra che questi tre formati sono costantemente in competizione per la quota di mercato.

Dalla Figura 1 si può vedere che tra il 2013 e il 2019 le batterie cilindriche hanno sostituito il tipo prismatico e hanno raggiunto la posizione dominante sul mercato. Ciò era dovuto principalmente a Tesla. Ma la marea sta cambiando di nuovo? Sembra che dal 2021 il formato Prismatic si stia facendo nuovamente strada in prima linea.

Batteria cilindrica e cella prismatica

La scelta del tipo appropriato di batteria è probabilmente la decisione più importante che prenderà qualsiasi produttore di veicoli elettrici. Oltre alle prestazioni e ai costi, è necessario garantire la catena di approvvigionamento delle batterie. Quindi, quali sono le caratteristiche principali delle batterie cilindriche e prismatiche? Come scegliere tra loro? Immergiamoci nei dettagli!

Qual è il Cella della batteria cilindrica?

Le celle cilindriche della batteria agli ioni di litio sono costituite da un gel elettrolitico inserito tra i fogli di elettrodi dell'anodo e del catodo. Un foglio separatore poroso è fornito tra i fogli dell'anodo e del catodo, prevenendo cortocircuiti. Similmente a come viene realizzato un Jelly Roll, l'elettrodo, il gel elettrolitico e il "sandwich" separatore vengono arrotolati in un cilindro e collocati all'interno di un alloggiamento metallico che viene poi tappato. L'alloggiamento può essere in acciaio nichelato o alluminio. Generalmente, i catodi sono costituiti da ossido di litio mescolato con nichel, manganese e cobalto rivestiti su un foglio di alluminio, mentre l'anodo è costituito da grafite rivestita su un foglio di rame. Le lamine metalliche fungono da collettori di corrente, oltre a fornire una base per il rivestimento dell'elettrodo. La corrente scorre da e verso la cella tramite strisce metalliche chiamate Tabs saldate agli elettrodi.

Struttura della batteria cilindrica per veicoli elettrici

Quali sono i modelli più comuni di celle di batterie cilindriche?

Tesla è stata pioniera nell'uso delle celle cilindriche nei propri veicoli elettrici ed è il maggiore acquirente mondiale di queste batterie. Hanno anche i propri impianti di produzione. Oltre a Tesla, su scala molto più piccola, anche i nuovi arrivati ​​come Lucid e Rivian utilizzano per alcuni modelli batterie cilindriche. Il principale produttore tedesco BMW adotterà il formato grande della batteria Tesla per la sua nuova classe di batterie. Le batterie cilindriche più comuni sono i modelli 18650, 21700 e 4680, dove i numeri rappresentano il fattore di forma di ciascuna batteria.

Struttura della batteria Prismatic EV

Pro e contro della cella cilindrica

Vantaggi

  • Le celle cilindriche hanno una migliore integrità strutturale rispetto agli altri formati poiché la forma tubolare può sopportare sollecitazioni meccaniche più elevate e ci sono meno punti di concentrazione delle sollecitazioni (spigoli vivi).
  • Hanno una densità di energia gravimetrica maggiore rispetto alle celle prismatiche.
  • Il costo di produzione è inferiore del 15-10% rispetto alle celle prismatiche.
  • A causa dell'assenza di più strati sovrapposti, le celle cilindriche hanno una resistenza elettrica inferiore rispetto alle celle prismatiche.

Svantaggi

  • Le celle cilindriche possono eseguire solo circa 2000-3000 cicli di carica e scarica prima di degradarsi del 20%. Questo è circa la metà di ciò che possono ottenere le cellule prismatiche.
  • La densità di imballaggio in un pacco batteria è inferiore a quella delle celle Prism, il che lo rende svantaggioso per le auto di piccole dimensioni.

Cos'è la cella della batteria prismatica?

Il nome cella prismatica deriva dalla sua forma geometrica, che è un prisma rettangolare. A differenza della struttura a spirale delle celle cilindriche, la cella prismatica assomiglia ad un sandwich impilato. Ciascuna cella è costituita da diversi strati, ciascuno dei quali comprende gel elettrolitico posizionato tra i fogli di anodo e catodo e separatori intermedi. Gli strati impilati vengono quindi racchiusi all'interno di un guscio di alluminio o acciaio e linguette metalliche previste nella parte superiore per il collegamento elettrico al circuito esterno.

Fattori di forma della batteria cilindrica utilizzati da Tesla

Quali sono i modelli comuni di celle della batteria prismatica?

Le celle prismatiche vengono utilizzate principalmente dalle case automobilistiche tedesche e le batterie sono realizzate in conformità con gli standard specificati dall'Associazione automobilistica tedesca. Attualmente le batterie Prismatic per batterie elettriche e ibride sono disponibili nei seguenti formati:

Formato cella Larghezza [mm] Altezza [mm] Spessore [mm]
HEV 120 85 12.5
PHEV1 173 85 21
PHEV2 148 91 26.5
PHEV2+ 148 125 26.5
EV1 173 115 32
EV2 173 115 45

Le abbreviazioni HEV, PHEV ed EV stanno rispettivamente per veicolo elettrico ibrido, veicolo elettrico ibrido plug-in e veicolo elettrico a batteria.

Pro e contro del Cella prismatica

Vantaggi

  • Le celle prismatiche possono essere impilate una accanto all'altra senza spazi d'aria. Ciò consente di stipare più celle in un volume più piccolo, il che è utile per le auto più piccole.
  • Le celle prismatiche possono durare per un numero maggiore di cicli di carica e scarica (fino a 5000), quasi il doppio di quello cilindrico
  • La produzione è comparativamente più standardizzata, grazie al rispetto degli standard VDA.

 

Svantaggi

  • Densità di energia gravimetrica inferiore rispetto alle celle cilindriche.
  • La gestione termica delle batterie è più difficile a causa dell’assenza di traferro, che riduce il raffreddamento dell’aria radiativo e convettivo.
  • Il formato Prismatico è più vulnerabile alle sollecitazioni meccaniche, rispetto al formato Cilindrico.
  • I costi di produzione sono più alti rispetto alle celle cilindriche.

 

Requisiti della batteria dei veicoli elettrici

Sebbene le batterie siano il cuore di qualsiasi veicolo elettrico, fanno parte di un complesso sistema di batterie integrato.

Componenti di un sistema di batterie per veicoli elettrici

Più celle vengono impilate e collegate insieme in serie e parallelo, per formare un modulo batteria. Molti di questi moduli batteria sono collegati elettricamente e costituiscono un pacco batteria. Di conseguenza, le batterie devono essere leggere e meccanicamente resistenti, massimizzando al contempo il contenuto energetico e la potenza disponibile. Il trasferimento di calore deve essere buono, per garantire un raffreddamento efficiente. Dal punto di vista del cliente, il lungo chilometraggio, i tempi di ricarica rapidi, la lunga durata e il basso costo sono considerazioni chiave

Pertanto, una buona batteria per veicoli elettrici deve soddisfare le esigenze del cliente, oltre ai requisiti tecnici. Quindi, quali sono i parametri chiave e i parametri di riferimento da soddisfare per la batteria di un veicolo elettrico? La tabella seguente elenca i principali requisiti delle batterie dei veicoli elettrici.

Parametro della batteria Benchmark attuali Significato
Densità di energia >750 Wh/L e >350 Wh/kg per celle Determina l'autonomia
Costo <$100/kWh per celle I costi delle batterie rappresentano una percentuale elevata del prezzo dei veicoli elettrici
Ricarica e potenza veloci 80% ΔSOC in 15 minuti I clienti desiderano tempi di ricarica rapidi.
Vita 15 anni La durata della batteria deve essere almeno pari a quella del veicolo poiché non è possibile sostituire le singole batterie.
Prestazioni Impatto minimo per l'ambiente La funzionalità della batteria deve essere buona con tempo freddo, caldo, pioggia e deserto.
Sicurezza Nessun incendio/fiamma/rottura/esplosione La fuga termica è una delle principali preoccupazioni per tutte le batterie agli ioni di litio.

Quale è meglio per i veicoli elettrici?

Il mercato delle batterie per veicoli elettrici è in crescita per entrambi i formati di batterie. Tuttavia, le auto più piccole preferiscono le celle prismatiche poiché richiedono meno spazio rispetto alle celle cilindriche. D'altra parte, quando i veicoli e i pacchi batteria diventano più grandi e potenti, la preferenza va alle celle cilindriche. Anche il costo di produzione è sostanzialmente inferiore per le celle cilindriche. Ecco perché la decisione di Tesla di adottare il formato 4680 viene copiata altri grandi player come la BMW.

Perché Tesla ha utilizzato batterie cilindriche fin dall'inizio

All'inizio, Tesla scelse il modello cilindrico 18650 per le sue berline, poiché era il modello più economico e tecnologicamente maturo disponibile. Avevano già acquisito una certa esperienza con la loro precedente auto sportiva Roadster. A parte i costi inferiori della batteria, è chiaro che le batterie cilindriche offrono una maggiore autonomia rispetto al tipo prismatico. Ora, con il formato Tabless 4680 più grande, Tesla sta cambiando il gioco per i veicoli elettrici a lungo raggio e di potenza superiore. Un altro motivo importante è l’esistenza di produttori di celle cilindriche di alta qualità come Panasonic, che aiutano Tesla a stabilire inizialmente una catena di fornitura stabile.

Dal punto di vista della gestione termica, il traferro tra le celle adiacenti aiuta nel raffreddamento radiativo a differenza delle celle prismatiche strettamente ravvicinate. Il trasferimento radiale del calore è più uniforme che nel caso delle celle prismatiche asimmetriche.

Conclusione

Sia il formato cilindrico che quello prismatico sono importanti per il mercato dei veicoli elettrici. Il formato Prismatico è migliore per i veicoli più piccoli. Per i veicoli più grandi, che richiedono maggiore autonomia e potenza, il formato cilindrico è migliore.

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