Perché le batterie delle auto sono ancora così pesanti?

Quando ero un bambino, le batterie delle auto erano enormi grumi di plastica pieni di piombo e acido. Pesavano quasi quanto un telefono cellulare (leggera esagerazione lì, scusa).

45 anni dopo, le batterie dell'auto sembrano ancora uguali e pesano allo stesso modo.

Quindi, in questa epoca moderna e l'enfasi sul risparmio di carburante, perché le batterie pesano ancora 40 libbre? Perché i progressi della tecnologia non sono stati in grado di renderli più leggeri ed efficienti?

Quindi, ora dopo la risposta alla tua domanda letterale alla tua vera domanda , che purtroppo non hai fatto

La tecnologia della batteria si è spostata finora negli ultimi 100 anni. La batteria di avviamento al piombo acido è diventata comune nelle automobili nel 1920, il piombo è essenzialmente veleno e l'acido solforico / piombo non è meno pericoloso. Tendono a fallire a basse temperature, specialmente se non regolarmente mantenute, e anche se ovviamente sono economiche come l'inferno da produrre, l'intera gestione di esse, compresi i requisiti legali per riprendere le vecchie batterie, deve essere un incubo.

Perché l'industria non ha appena tracciato una linea e passato a cose come LiIon o buone batterie NiCd o NiMH, ora che le auto elettriche hanno dimostrato che puoi guidare in modo affidabile anni basati su quelle?

Le batterie NiCd sono semplicemente peggiori sotto ogni aspetto, ma la densità di energia rispetto all'acido di piombo. NiMH è migliore, ma molto più costoso e ha ancora un tasso di scarico più elevato, in genere (a meno che non li rendiate ancora più costosi). E ancora abbastanza difficile da smaltire correttamente.

Le batterie al litio non sono così facili da maneggiare. Devi proteggerli da tutti i tipi di guasti e alcuni di loro sono piuttosto fatali: non surriscaldare la batteria al litio. Esploderà. E il calore è un grave problema all'interno di un vano motore (in tutta onestà, una batteria non deve essere lì dentro, ma è abbastanza utile).

Il motivo principale è davvero il costo. La batteria della mia ultima auto, una Fiat Punto del 1999, forniva un massimo di 100 A (quando ho cercato di stimare la corrente effettiva di corto circuito, circa 43 A, ma ancora molto. Diciamo P = U · I = 12V · 40A = 480W ) corrente e aveva una capacità nominale di circa 30 Ah (che è un'energia di 12V · 30Ah = 360 Wh). Mi è costato 25 €. Quindi, ipotesi approssimativa, è più economico di 10 € da produrre.

Quindi, prendiamo un tipo di batteria al litio che è prodotto in serie e quindi economico. Le celle rotonde comunemente trovate che compongono molti pacchi batteria per laptop sono circa 3 € ciascuno (diciamo 1 € in produzione) per circa 3Ah (11,1 Wh), fornendo fino a 5A (top, non farlo per molto) in alcuni 3,7 V. Ciò significa che una singola cella di questi può fornire 18,5 W. Quindi, per raggiungere i 480 W stimati della mia batteria per auto cheapo, ne avresti bisogno 26. Per la produzione costerebbero 26 €, senza contare gli euro spesi per i circuiti di controllo, ricarica e protezione, per racchiuderli in qualcosa di rigido e sicuro, e il fatto che i minerali dovevano produrre alcuni dei componenti in metallo raro del litio le batterie al momento non stanno diventando più economiche e dotare le auto di tutto il mondo di quelle accelererà sicuramente quel meccanismo di mercato.

Supponiamo che le scale di costo con capacità. La mia batteria al litio a 26 celle ha 26 · 11,1 Wh = 288,6 Wh di energia. Quindi dobbiamo ridimensionarlo di 1,25 per ottenere gli stessi 360 Wh della batteria al piombo.

Tale cella pesa circa 90 g. Quindi il peso delle cellule è di 26 · 90 g = 2,34 kg. Ok, non ho il peso esatto della mia batteria economica per auto in testa, ma diciamo che era di 15 kg. Quindi abbiamo risparmiato peso di un fattore di circa 6,3, se il nostro involucro e l'elettronica sono leggeri (non lo sono - per quanto posso dire, avrai bisogno di un alimentatore a modalità switch pesante per essere in grado di caricarli in modo efficiente utilizzando il generatore della tua auto, e quelli consistono principalmente in una bobina di rame piuttosto voluminosa e forse un nucleo di ferrite che non è nemmeno leggero).

Ciò porta a un fattore di costo di circa 3,5 tra il componente A e l'alternativa B del componente, con svantaggi di gestione, minore affidabilità e cambiamenti nella catena di approvvigionamento. Nessuna meraviglia che l'industria automobilistica non stia spingendo in quella direzione. (E, a proposito, hanno un'eccellente attività di lobbying.)

Quindi, ovvia prima risposta:

perché le batterie pesano ancora 20 kg?

Perché sono ancora le stesse batterie al piombo-acido. Semplice come quella. Nessun'altra tecnologia si avvicinava al basso costo per Ampere (e ampere-ora) di quelli, vicino all'affidabilità e alla facilità di gestione. 20 kg non è così pesante, se si considera che "risparmio di carburante" significa ancora che la tua nuova auto media trasporta dozzine di chilogrammi di funzionalità "comfort" e pesa circa 1 Mg per le sole parti metalliche.

45 anni dopo, le batterie dell'auto sembrano ancora uguali e pesano allo stesso modo.

45? Più come 120 anni ... ma sì. Costruiamo ancora ponti in acciaio, il nostro calcestruzzo è migliorato, ma è ancora essenzialmente concreto, usiamo l'asfalto per le strade, il rame è ancora il nostro conduttore preferito, la tecnologia di amplificazione più comunemente trovata in tutto ciò che non è fondamentalmente a bassa frequenza è un amplificatore di classe A / B basato su transistor bipolare e i nostri frigoriferi non sono ancora basati su mezzi più efficienti di trasporto del calore, ma sulla compressione di fluidi più o meno pericolosi.

Le batterie più recenti sono molto più leggere e costano meno durante la vita di un veicolo rispetto a quelle di un tempo. Ma non usano la chimica LA (acido al piombo).

Una batteria LiFePO4 (Litio Ferro Fosfato) farà ciò che è richiesto a costi di vita accettabili, MA a costi di capitale iniziali più elevati, il che lo rende poco attraente per i produttori di automobili.

Il basso costo di capitale iniziale sembra essere il motivo principale per preferire l'acido di piombo a LiFeO4 e non è ovvio che ci siano altri buoni motivi.

La durata del ciclo è molto maggiore di quella dell'acido di piombo, il che consente di ridurre l'intero costo della vita dell'acido di piombo.

A differenza di LiIon (ioni di litio), un "picco nel cuore" non causerà i problemi di LiIon.

Il controllo della ricarica è "abbastanza semplice".

Rispetto all'acido di piombo:

Profondità di scarico consentita e tassi di carica massimi accettabili più elevati,

L'intervallo di temperatura è migliore

L'efficienza di ricarica è migliore.

Le prestazioni di autoscarica sono migliori.

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Ioni di litio / LiIon:

Vale la pena di commentare le batterie LiIon in quanto spesso ricevono "cattiva stampa" per quanto riguarda la sicurezza.

Rispetto all'acido di piombo, la chimica LiIon offre densità di massa e di energia sostanzialmente migliori (più leggere e più piccole), una durata del ciclo leggermente più lunga, un costo di capitale più elevato e probabilmente un costo della vita complessivamente leggermente superiore. Gestito correttamente, il controllo della ricarica è più semplice. Gli intervalli di temperatura sono migliori, l'efficienza di carica / scarica è leggermente superiore. Gli svantaggi relativi alla sicurezza non sono in gran parte un problema - vedi sotto.

In molte applicazioni le batterie LiIon sono la batteria preferita: dai Dreamliner ai telefoni Samsung agli "Hoverboard", dai Mars Rovers ai laptop e smartphone ai lettori MP3 e altro ancora. Le prime tre applicazioni sopra sono state selezionate per i loro noti spettacolari guasti. Ma qualsiasi cosa usata in una Mars Rover viene scelta per la sua idoneità in una lunga vita, un ambiente ostile, non deve fallire. E ci sono centinaia di milioni di batterie LiIon nell'uso quotidiano nelle tasche delle persone, nelle case, nelle macchine e altro ancora.

Dati i modi in cui le batterie LiIon POSSONO fallire, i numeri che NON funzionano in modo spettacolare sono molto rari. I guasti ampiamente segnalati sono spesso dovuti a guasti sistemici che colpiscono un lotto o un modello di batteria che è stato prodotto e distribuito in grandi quantità O con volumi più bassi ma applicazioni di alto profilo. In tali casi, un difetto di progettazione o di fabbricazione o carenze causano o consentono guasti le cui conseguenze sono esacerbate dai comportamenti spietati della chimica LiIon.

Esempi sono eventi ben noti di "sfogo alla fiamma" in alcuni laptop Apple precedenti, telefoni Samsung, "hoverboard" autobilanciati e simili. Nei primi due esempi, di solito i produttori competenti hanno permesso che esistesse un errore di progettazione non corretto e / o inosservato o che tagliasse angoli nella produzione nella misura in cui i margini di sicurezza li raggiungessero. Nel caso degli "hoverboard" la causa non mi è nota, ma rischia di essere una produzione a basso costo di bassa qualità e un cattivo controllo della carica come qualsiasi altra cosa. Nelle apparecchiature di consumo, i guasti alle batterie LiIon spesso derivano da un cortocircuito che si verifica in una cella a causa di giochi inadeguati e conseguente sensibilità all'urto o che colpisce l'estremità remota delle variazioni di tolleranza statistiche di fabbricazione.

Nel caso dei guasti della batteria del Boeing Dreamliner non ho visto un rapporto finale sulla causa alla radice MA mentre si sono verificati numerosi guasti ben pubblicizzati (e forse alcuni non pubblicizzati) in un volume di prodotto molto piccolo, le conseguenze sono state sorprendentemente ben contenute .

Un esame dettagliato degli insuccessi, delle modalità e delle conseguenze di LiIon mostra che non sono quasi invariabilmente lontani come violenti come suggerisce il "mito" popolare e che mentre il rilascio di energia è sostanziale, il contenimento è relativamente facile in termini ingegneristici. Il contenimento aggiunge peso, volume e costi ed è poco probabile che si trovi in ​​laptop o dispositivi tascabili / portatili. È presente nei Dreamliner e potrebbe essere facilmente utilizzato in applicazioni automobilistiche a batteria singola (vale a dire non EV) pur mantenendo peso e volume ancora ben al di sotto dei livelli di acido piombo e con costi aggiuntivi modesti. Nelle applicazioni dei veicoli elettrici i problemi sembrano essere stati risolti o risolti "abbastanza bene". Ho una vasta esperienza in settori regolatori della sicurezza dei veicoli, ma sono fiducioso che le normative che ci offrono spettacolari filmati fittizi e che consentano di catturare carburanti di petrolio ad alta volatilità nei veicoli passeggeri affrontano anche i problemi di sicurezza intorno alle fonti di energia LiIon. Non ho mai sentito parlare di un'auto "Tesla" immolata a causa di un guasto alla batteria - anche se potrebbe essere successo - e immagino che Musk e altri credano che abbiano quest'area di rischio "adeguatamente in mano".

Con mia grande delusione non ho mai visto un evento di sfiato con fiamma LiIon e non conosco personalmente nessuno di quelli che hanno. Le occorrenze sono abbastanza comuni da rendere occasionalmente le notizie della Nuova Zelanda (la popolazione della Nuova Zelanda è inferiore a 5 milioni).

LiIon contro LiFePO4:

Rispetto al LiFePO4, LiIon offerte chimica piuttosto migliori di massa ed energia densità (alquanto più leggeri e più piccoli), sostanzialmente LOWER ciclo di vita, leggermente inferiore costo del capitale (per energia capacità), e sostanzialmente inferiori intero da vita. Il controllo della ricarica è pressoché lo stesso ma LiFePO4 è significativamente più difficile da danneggiare in casi marginali. Gli intervalli di temperatura non sono altrettanto buoni, l'efficienza di carica / scarica è pressoché uguale. LiFePO4 sono molto meno soggetti a problemi di sicurezza.

Nelle aree in cui le dimensioni, il peso e il costo di capitale più bassi contano (con l'uso di veicoli elettrici come un buon esempio), LiIon è superiore a LiFePO4.

In quasi tutte le altre aree e applicazioni, LiFePO4 è migliore o molto migliore di LiIon e li considererei l'attuale tecnologia della batteria scelta per l'elevata lunga durata di energia, l'accumulo di energia ad alto numero di cicli.

Esistono batterie al litio di avviamento , principalmente per corse o altre prestazioni o applicazioni di lusso in cui il risparmio di peso o i diritti di vantarsi valgono il costo.

Come altri hanno notato, tuttavia, le esigenze dell'applicazione sono piuttosto estreme e la tecnologia al litio richiede molto sviluppo e cura speciali per poter svolgere in modo affidabile e sicuro il ruolo di una batteria di avviamento / accessorio in un autoveicolo. I prezzi sono estremamente alti - facilmente da dieci a venti volte il costo di una normale batteria al piombo. Molte persone non vogliono pagare $ 1000 per la batteria dell'auto, quindi non lo fanno.

La risposta è molto semplice: perché non abbiamo trovato niente di meglio.

La batteria di un'auto deve mantenere la carica per un lungo periodo di tempo, essere in grado di erogare una corrente enorme e inserirsi in un piccolo spazio. E sarebbe di aiuto se non fosse troppo costoso.

L'acido di piombo è ancora la soluzione migliore per tali requisiti.

È possibile utilizzare una chimica a base di litio, possono contenere la carica e fornire grandi correnti. Sono anche molto più costosi, sensibili alla temperatura, richiedono più cure elettricamente e sono più spettacolari se gestiti male elettricamente o meccanicamente.
I costi aggiuntivi e la complessità non valgono semplicemente i vantaggi di una riduzione <1% della massa finale delle auto.

Ho visto che hai aggiunto una nuova domanda alla fine del tuo post:

Perché i progressi della tecnologia non sono stati in grado di renderli più leggeri ed efficienti?

Perché non è così che funziona la chimica.

La capacità in un singolo tipo di batteria è praticamente definita dalla quantità di ioni che hai - e cioè, nel caso delle batterie al piombo-acido, praticamente la massa di piombo di cui hai bisogno, oltre ad alcuni per mantenere intatta la struttura.

Ora, altri tipi di batterie soffrono di una mancanza di superficie o di una mobilità degli ioni limitata che limita la capacità di quella batteria di generare una corrente elevata, ma non c'è molto che si possa fare per aumentarla per la batteria al piombo - l'acqua è un eccellente supporto per sostanze chimiche coinvolte e l'attuale capacità di approvvigionamento di una batteria al piombo acido è praticamente al massimo.

Quindi, è semplicemente una tecnologia matura. Proprio come non abbiamo migliorato molto l'acciaio da costruzione economico negli ultimi 80 anni, non c'è molto che si possa fare con le batterie al piombo acido per renderle migliori senza abbandonare il principio del piombo-acido, con tutti i problemi spiegati dalla mia seconda risposta .

L'uso del supercondensatore come batteria di avviamento è completamente fattibile ed è stato provato dagli appassionati in pratica, vedi esempio . A parte il prezzo più elevato, sono riportati alcuni esempi di difficoltà pratiche:

• La sola supercar, mentre si avvia l'auto più facilmente della batteria al piombo, si scarica in circa mezz'ora di ascolto della radio se non viene caricata continuamente.
• La batteria al litio a collegamento diretto + la combinazione supercap non soffre dall'alto ma si è danneggiata quando l'ha utilizzata per avviare un rasaerba: la batteria Li avrebbe bisogno di elettronica aggiuntiva per evitarlo.

Principalmente una ragione: prezzo. Esistono alternative tecnologicamente migliori, come le batterie agli ioni di litio utilizzate nelle auto elettriche, ma sono anche molto più costose. Queste batterie sono assolutamente necessarie nelle auto elettriche in cui è necessaria un'enorme capacità senza aumentare molto il peso del veicolo (le batterie al piombo sarebbero troppo pesanti se dovessero sostituire il serbatoio del carburante come unica fonte di energia per l'auto), ma in le auto alimentate a carburante hanno il peso di una singola batteria al piombo classica utilizzata solo per l'avviamento del motore, rispetto al peso della vettura non è significativo, mentre il rapporto prezzo / capacità è notevolmente inferiore. È un problema di costo / efficienza: sono più economici, forniscono energia sufficiente per le esigenze dell'auto e il suo peso non è rilevante.