Come la batteria agli ioni di litio ha riportato in vita l'automobile elettrica?

La batteria agli ioni di litio, con la sua alta densità energetica e i costi in calo, risolvendo il problema secolare di autonomia e peso dell'automobile elettrica, è la chimica delle batterie che ha reso tecnicamente possibile l'auto elettrica moderna. Questo articolo racconta la storia che va dagli anni 1890 al 1991 e come questa rivoluzione ha rimodellato l'automobile.

L'auto elettrica è in realtà nata prima della benzina?

Contrariamente a quanto pensano molti lettori, sì. La storia dell'auto elettrica inizia pressoché nella stessa epoca del motore a combustione interna e, per il primo mezzo secolo, l'elettricità non fu affatto una tecnologia marginale. Tra il 1827 e il 1828 il sacerdote ungherese Ányos Jedlik costruì il primo motore elettrico e fece funzionare un piccolo modellino di auto. Tra il 1832 e il 1839 lo scozzese Robert Anderson sviluppò una rudimentale auto elettrica; tuttavia le celle galvaniche non potevano ancora essere ricaricate, ossia il veicolo si muoveva con una riserva di energia a uso singolo. Nel 1837 Robert Davidson realizzò ad Aberdeen il primo prototipo di locomotiva elettrica; la versione ingrandita del 1841 Galvani del 1841 trainò un carico di 6 tonnellate per 1,5 miglia alla velocità di 4 miglia orarie. Gli operai ferroviari, per paura di perdere il lavoro, distrussero la macchina - fu questa la prima resistenza incontrata dalla tecnologia, a una data così precoce.

Il punto di svolta arrivò nel 1859: la batteria piombo-acido di Gaston Planté rese per la prima volta possibile immagazzinare energia ricaricabile a bordo del veicolo. Questa chimica si rivelò così solida che oggi viene ancora usata nelle batterie dei veicoli con motore a combustione interna. Thomas Parker verso il 1884 mise in servizio in Inghilterra i tram elettrici e produsse prototipi di automobili elettriche.

Da Morrison a Jenatzy: la prima età dell'oro

Il punto di riferimento sul versante statunitense è William Morrison. Nel 1890 presentò a Des Moines, Iowa, il brevetto per la sua automobile elettrica; il veicolo era a trazione anteriore, produceva 4 cavalli, raggiungeva i 20 mph e con 24 celle batteria richiedeva una ricarica dopo 50 miglia. Alla Fiera Mondiale di Chicago del 1893 creò sensazione. A Filadelfia Salom e Morris nel 1894 ottennero il brevetto della Electrobat ; entro il 1896 offriva 25 miglia di autonomia con due motori da 1,1 kW e nello stesso anno vinse le gare sprint di cinque miglia contro le automobili a benzina Duryea.

I numeri mostrano chiaramente la popolarità della prima epoca: nel 1900 il 28% delle automobili in circolazione negli USA era elettrico; un terzo delle 160 automobili esposte alla prima fiera dell'automobile era elettrico. Nell'uso urbano l'elettricità aveva vantaggi reali - era silenziosa, pulita, partiva girando una chiave e si guastava raramente. Nel 1899 Camille Jenatzy, con doppio motore da 25 kW e carrozzeria in lega di alluminio partinium, con la La Jamais Contente e la prima persona a superare le barriere dei 100 km/h e dei 60 mph. A New York la Electric Vehicle Company gestì più di 600 taxi elettrici utilizzando stazioni di sostituzione delle batterie; a Londra il primo servizio di taxi elettrici era stato istituito nel 1897.

Perché vinse la benzina? Anatomia della competizione elettrico-benzina

La prima sconfitta del veicolo elettrico non fu una sconfitta di prestazioni, ma una sconfitta di economia ingegneristica. C'erano quattro fattori determinanti, e tutti erano misurabili:

• Costo: gli elettrici costavano quasi il doppio dei benzina ed erano considerati beni di lusso. Nel 1908, mentre la Ford Model T costava 850 dollari, la maggior parte degli elettrici veniva venduta ad almeno il doppio; quando nel 1923 la Model T scese sotto i 300 dollari, molti elettrici costavano dieci volte di più.
• Autonomia e immagazzinamento dell'energia: un bidone di benzina di scorta era molto più leggero di una batteria di riserva - e fu proprio questo rapporto di massa il cuore del problema.
• Infrastrutture: nelle zone rurali non elettrificate non c'era possibilità di ricarica; la benzina invece era un'energia stoccabile vendibile ovunque.
• Avviamento: nel 1912 il motorino di avviamento elettrico di Charles Kettering (sul primo Cadillac) eliminò la manovella e cancellò il vantaggio d'uso fondamentale dei veicoli elettrici.

Per riassumere in una frase, la densità energetica della batteria al piombo-acido non riusciva a soddisfare le richieste di massa e autonomia dell'automobile. Detroit Electric riuscì comunque a produrre oltre 35.000 veicoli tra il 1907 e il 1939; la moglie di Henry Ford, Clara Ford, utilizzò una Detroit Electric tra il 1908 e il 1914. In Inghilterra i "milk float", veicoli elettrici per la distribuzione del latte, rimasero in servizio fino agli anni '80 e il paese fu per gran parte del XX secolo il maggiore utilizzatore al mondo di veicoli elettrici su strada - ma erano veicoli con compiti ristretti, non automobili polyvalenti.

I tentativi intermedi del ventesimo secolo: più la batteria è pesante, peggio va

Dagli anni '20 in poi l'automobile elettrica divenne marginale ma non morì del tutto; in ogni tentativo si dimostrò ancora una volta che il problema era sempre nella batteria. In Giappone, la Tama del 1947 svolse compiti di taxi con una batteria al piombo-acido, 20 mph di velocità e 40 miglia di autonomia. La Henney Kilowatt (1959-1960) raggiunse 60 mph di velocità e 60 miglia di autonomia elevando la tensione da 36 V a 72 V; tuttavia furono prodotti solo circa 100 telai e vendute 47 auto.

L'esperimento Electrovair II della GM (1966) è un punto dati che mostra la gravità della situazione: batterie argento-zinco, tensione di sistema di 532 V, 115 hp e autonomia di 40-80 miglia - ma le batterie duravano solo 100 cicli di ricarica e il pacchetto, a prezzi dell'epoca, costava 160.000 dollari. Nel 1971-72 il Lunar Roving Vehicle (LRV) servì un obiettivo diverso, l'affidabilità assoluta: con motori GM Delco e batterie argento-zinco non ricaricabili, a un costo di 38 milioni di dollari. Dopo l'embargo OPEC del 1973 l'interesse rinacque: la Citicar messa in vendita nel 1974 era modesta con 2,5 hp e circa 25 mph, ma la produzione totale di 4.444 esemplari ne fece fino al 2013 il maggior produttore di veicoli elettrici degli Stati Uniti del secondo dopoguerra. La GM Electrovette i prototipi erano al piombo-acido, percorrevano 50 miglia a 30 mph; quando le aspettative sul prezzo della benzina non si concretizzarono, vennero accantonati.

GM EV1: il veicolo che si confrontò presto con il problema delle batterie

Negli anni '90 il mandato californiano sui veicoli a zero emissioni diede vita al primo EV serio di un produttore automobilistico dell'era moderna. GM passò dalla produzione del concetto Impact alla EV1 avviando il leasing nel 1996-97; raggiunse i locatari nel 1997 e in totale ne vennero dati in leasing circa 1.000. Il primo modello aveva una batteria al piombo-acido; l'opzione successiva al nichel-metallo idruro (NiMH) offriva un'autonomia tra 70 e 160 miglia - un salto percettibile per la chimica dell'epoca, ma non abbastanza.

Le ultime auto furono prodotte nel 1999; GM cancellò il programma nel 2003 adducendo gli elevati costi di produzione e un mercato ridotto, chiuse i contratti di leasing, ritirò i veicoli e ne distrusse la maggior parte. Ci furono proteste dei cittadini; Francis Ford Coppola fu una delle poche persone a potere conservare la propria auto. Ciò che decretò esattamente la fine dell'EV1 è ancora oggi dibattuto: mentre la narrazione comune enfatizza costi e dimensioni del mercato, una lettura alternativa mette al centro la crisi finanziaria della GM nel 1992 e il cambio di dirigenza (l'ascesa di Jack Smith a CEO). Il punto comune è questo: le chimiche al piombo-acido e al NiMH non raggiungevano la densità energetica necessaria a rendere un'automobile redditizia e pratica. Il pezzo mancante era lo ione-litio.

Come è iniziata la rivoluzione dello ione-litio?

La ricerca fondamentale sulla batteria allo ione-litio fu pubblicata negli anni '70; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino condivisero il Premio Nobel per la Chimica 2019 per questo lavoro. La svolta commerciale arrivò nel 1991: Sony, utilizzando il design di Yoshino, iniziò a produrre e vendere le prime batterie ricaricabili allo ione-litio al mondo - e fu proprio questo prodotto a prendere il nome di "ione-litio". La batteria entrò prima nelle fotocamere, poi negli altri dispositivi elettronici di consumo; il veicolo elettrico non era ancora sulla mappa, ma il serbatoio di energia che lo avrebbe reso possibile era ormai in produzione di serie.

I numeri iniziali spiegano con i dati perché questa tecnologia ha avuto la meglio. Le prime celle commerciali offrivano una densità energetica volumetrica di circa 200 Wh/L - quasi il doppio dei sistemi contemporanei. La densità gravimetrica passò dalla fascia di 100-120 Wh/kg a oltre 300 Wh/kg; da quando fu messa in vendita, in tre decenni la densità volumetrica è triplicata. La curva più sorprendente riguarda però i costi: le batterie allo ione-litio sono scese da circa 9.200 dollari per kWh a 78 dollari - un calo superiore al 99%. La maggior parte delle transizioni tecnologiche offre o prestazioni o riduzione dei costi; lo ione-litio ha fatto entrambe le cose allo stesso tempo, e questo è bastato a trasformare un'automobile.

Dal laboratorio all'automobile: la linea che va dal tzero alla Tesla Roadster

Quando le celle al litio degli elettronica di consumo divennero accessibili, gli ingegneri automobilistici furono tra i primi a accorgersene. Nel 1997 l'azienda AC Propulsion di Alan Cocconi tzero fu presentata: 150 kW (201 hp) con batteria al piombo-acido. Martin Eberhard ordinò un tzero al litio-ione; il risultato fu 0-60 mph in 3,7 secondi - con un costo stimato di 220.000 dollari. Questo prototipo era la prova che un'auto sportiva al litio-ione a bassi volumi ma alto prezzo era commerciabile.

Nel 2003 Eberhard e Marc Tarpenning fondarono Tesla Motors; Elon Musk prima cercò di convincere AC Propulsion a produrre, poi investì in Tesla. Nel 2008 iniziò la Tesla Roadster produzione: la prima auto sportiva elettrica di serie al mondo con batteria al litio-ione. La prima generazione utilizzava un sistema di propulsione concesso in licenza da AC Propulsion ed era costruita su componenti della Lotus Elise. Il quadro tecnico era il seguente:

• Autonomia EPA: 244 miglia (393 km) - uno dei primi veicoli di serie a mostrare un'autonomia di 200 miglia.
• 0-100 km/h: 3,9 secondi; 288 hp.
• Pacchetto: 53 kWh al litio-ione.
• Produzione: oltre 2.400 unità tra il 2008 e il 2012; prezzo nel 2010 di 109.000 $.
• Durabilità: si prevedeva che il pacchetto medio avrebbe mantenuto l'80-85% della capacità iniziale dopo 100.000 miglia.

Il vero contributo della Roadster non fu la tecnologia, ma la prova: con un pacchetto al litio-ione era possibile convivere nello stesso veicolo con autonomia reale, prestazioni reali e una ragionevole durata della batteria. Nel 2011 la Nissan Leaf, prima EV di un grande produttore con piattaforma dedicata, debuttò con un pacchetto al litio-ione da 24,0 kWh e nel gennaio 2018 superò le 300.000 vendite, diventando il veicolo completamente elettrico più venduto della storia; in seguito il record è stato superato dalla Tesla Model 3. L'esperienza ingegneristica lasciata dall'EV1 è invece continuata a vivere nelle gamme Chevrolet Volt e Bolt.

Dov'è oggi questa trasformazione?

Il riconfiguramento dell'industria automobilistica operato dal litio-ione si misura sulla scala: entro la fine del 2020 le vendite cumulative dei veicoli elettrici plug-in leggeri avevano superato i 10 milioni di unità. La curva dei costi continua a scendere - si prevede che il prezzo dei pacchi batteria scenderà intorno agli 80 $/kWh entro il 2026; nel 5 i pacchi con chimica LFP risultano mediamente più del 40% più economici per kWh rispetto alle chimiche alternative. Il primo capitolo della rivoluzione è stato scritto dal litio-ione; se il prossimo capitolo sarà scritto con le batterie allo stato solido rimane una domanda di ingegneria aperta.

Conclusione: come la rivoluzione dell'hardware ha reso possibile una rivoluzione del mercato?

L'automobile elettrica aveva una quota di mercato nel 1900, ma la sua batteria non è riuscita a preservarla; la GM produceva l'EV1, ma la sua batteria non riusciva a sostenere la redditività. Il litio-ione ha superato entrambe le soglie: la densità energetica ha risolto l'autonomia, la curva dei costi ha risolto il prezzo. La Tesla Roadster è stata la prima automobile al punto d'incrocio di queste due curve; l'attuale flotta di 10 milioni di veicoli è il prolungamento della catena iniziata nel 1991 con una batteria per fotocamera. L'hardware è stato preparato, il mercato lo ha seguito - la sequenza è andata in questa direzione e mai nel senso opposto.

Fonti

• Timeline: History of the Electric Car
• First Electric Car: A Brief History of the EV, 1830 to Present
• History of the electric vehicle
• Lithium-ion battery
• Sony press release on lithium-ion commercialization
• Charging Up the Development of Lithium-Ion Batteries
• Battery costs have declined by 99%
• General Motors EV1
• EV1 Electric Car - National Museum of American History
• Driving the future, then and now: the story of the EV1
• Tesla Roadster (first generation)
• Tesla Roadster battery longevity
• Electric vehicle batteries - IEA Global EV Outlook 2026
• Electric vehicle battery prices