L’alluminio per i contenitori delle batterie nelle auto elettriche
Il pacco batteria è uno degli elementi più delicati e costosi di un’auto elettrica. Il contenitore in alluminio garantisce leggerezza e resistenza agli urti, uniti all’elevata conduzione termica necessaria per il sistema di gestione della temperatura della batteria
L’auto elettrica sembra destinata a essere il futuro dell’industria automobilistica mondiale. In realtà ci sono ancora diversi ostacoli che rallentano il completo successo di questa tecnologia. I principali freni a questo sviluppo sono essenzialmente legati ai costi di produzione delle batterie e alla loro successiva sostituzione, ai tempi di ricarica delle auto totalmente elettriche, ai costi della ricarica che possono essere paragonati ai costi del GPL, allo smaltimento delle batterie a fine ciclo e infine dal fatto che ancora la maggior parte dell’energia elettrica prodotta proviene da combustibili fossili. Tutti questi punti di criticità sono però in parte superabili, ed è molto importante al riguardo la spinta della Comunità Europea e quella dei governi locali che, grazie agli incentivi, sta permettendo un rapido aumento delle vendite di auto a trazione “pulita”.
Gli aspetti negativi passano infatti in secondo piano rispetto all’esigenza di contenere le emissioni di CO2 nella nostra atmosfera. Tra tutti i materiali utilizzati per la fabbricazione delle auto elettriche, l’alluminio ha da diversi anni aumentato la propria penetrazione, perché, al di là del fattore alleggerimento, assicura riduzione dei costi di assemblaggio, garanzia di completo riciclaggio a fine ciclo vita, durabilità e resistenza agli agenti atmosferici e alla corrosione, semplicità di montaggio, minori costi di manutenzione e altro ancora. Le previsioni di vendita delle auto elettriche, per convenzione suddivise in BEV (Battery Electric Vehicle), vale a dire a propulsione esclusivamente elettrica e HEV (Hybrid Electric Vehicle), cioè le auto ibride, segnalano un trend di aumento notevole. Al di là dell’imprevedibile stop del 2020, dovuto alla pandemia Covid-19, le auto elettriche dovrebbero rappresentare nel 2030 una quota di mercato superiore al 30% del totale. Allo stato attuale il contenuto dei vari prodotti in alluminio utilizzati nei diversi segmenti delle auto nel mondo è riassunto nella figura 2, tratta da uno studio di DuckerFrontier pubblicato a fine 2019.
I dati, elaborati analizzando un grande numero di modelli attualmente in produzione, riportano i valori medi di contenuto di alluminio per auto suddivisi nelle quattro principali categorie di utilizzo: laminati (rolling), estrusi (extrusions), getti di fonderia (casting) e forgiati (forging). Come si può vedere i getti di fonderia (componenti del motore e i cerchi in lega in particolare) rappresentano largamente il formato più utilizzato, con circa 116 kg per auto e un totale di quasi 2.000 kt prodotte in EU nel 2019. Lo sviluppo delle auto elettriche, che utilizzano una maggiore quantità di metallo leggero, permetterà di incrementare l’utilizzo medio di alluminio per auto, come riportato nella previsione della figura 4.
Da questi dati previsionali si può immediatamente notare l’incremento dell’impiego degli estrusi e dei laminati, con una sostanziale stabilità per i forgiati. I getti di fonderia dovrebbero ridurre la propria quota percentuale, proprio a causa dell’introduzione dei motori elettrici, che utilizzano metallo in quantità inferiori rispetto al tradizionale blocco motore della trazione a combustibile. Diamo quindi un’occhiata in particolare alle batterie e al loro alloggiamento.
L’alluminio nelle auto elettriche
Gli involucri delle batterie per veicoli elettrici (battery cases, chiamati anche telai, alloggiamenti o pacchi batteria) hanno uno scopo piuttosto semplice: trattenere e proteggere i moduli batteria. Naturalmente, sono disponibili in varie forme e dimensioni e possono essere facilmente adattati alle diverse particolarità dei moduli batteria. Proprio come altre parti di automobili, gli involucri delle batterie sono un’arena per una serie di materiali che si disputano la supremazia: l’alluminio, l’acciaio ad alta resistenza, la fibra di carbonio e il magnesio. Mentre molte custodie sono attualmente realizzate in acciaio (o una combinazione di alluminio e acciaio), a lungo andare l’alluminio sembra avere il sopravvento, soprattutto grazie alla sua leggerezza e alle caratteristiche tecniche favorevoli. I produttori di automobili si aspettano che i costi del sistema delle batterie, che ora rappresentano tra il 30 e il 50% del costo totale di un’auto elettrica, sia destinato a diminuire in futuro.
Le caratteristiche richieste ai contenitori per le batterie
La conduttività termica è di fondamentale importanza per gli involucri delle batterie, perché devono fornire capacità di trasferimento termico (come nel sistema di frenata di un’auto) per mantenere la batteria fresca o tenerla calda quando fa freddo. Pertanto, la struttura costruttiva può influire in modo significativo sulle prestazioni e sul ciclo di vita dei moduli batteria, poiché le variazioni di temperatura da modulo a modulo in un pacco batteria potrebbero comportare una riduzione delle prestazioni. Allo stesso tempo, il materiale deve avere una resistenza meccanica e agli urti in grado di proteggere i moduli batteria da danni, così come per altre parti di un veicolo. I propulsori elettrici ibridi (HEV) sono generalmente più impegnativi di quelli dei veicoli elettrici a batteria, perché generano più calore, e per questo motivo devono avere un sistema di gestione termica. Il sistema di gestione termica deve essere compatto e leggero, facilmente installabile nel veicolo, affidabile ed economico. Per controllare la temperatura di un pacco batteria nell’intervallo di temperatura ottimale, è necessario ridurre il calore dai moduli durante la stagione calda e aumentarlo durante la stagione fredda. La gestione e il controllo termico degli involucri delle batterie possono essere ottenuti tramite sistemi ad aria o a liquido per l’isolamento o l’accumulo termico con approcci attivi o passivi o una combinazione di entrambi i sistemi. L’insieme di questi requisiti fa dell’alluminio il materiale ideale per questo impiego, in virtù delle sue note capacità di veloce conduttore di energia termica.
Esempi di progettazione e tecniche costruttive di contenitori per batterie
Un buon design degli involucri della batteria utilizza gli estrusi di alluminio per semplificare il processo di assemblaggio e il fissaggio dei singoli moduli della batteria. Gli estrusi permettono inoltre un migliore assorbimento di energia in caso d’incidente, rispetto ad altri materiali e processi. I grandi involucri possono influire sull’intera architettura della carrozzeria. In alcuni modelli, gli involucri delle batterie sono grandi quanto l’intero pianale dell’auto. Ciò significa che devono essere integrati con cura nella struttura dell’auto e devono interagire con il corpo dell’auto. Alcuni tra i principali produttori di alluminio per l’industria automobilistica hanno sviluppato i propri gruppi di custodie per batterie con sistemi di gestione termica, come, tra gli altri, Constellium, Novelis e Hydro. Gli involucri delle batterie di Constellium, sono prodotti da leghe di alluminio ad alta resistenza e progettati per sopportare urti e allo stesso tempo raffreddare i singoli moduli utilizzando un innovativo design e sofisticate tecniche di giunzione. Per la parte inferiore e superiore degli involucri sono stati utilizzati laminati in leghe delle famiglie 3xxx, 5xxx e 6xxx, per la loro buona conduttività termica e resistenza alla corrosione, nonché per la facile formabilità. Altro pregio dell’involucro in alluminio, è la capacità di creare uno schermo elettromagnetico naturale, che contribuisce a bloccare le interferenze con altri sistemi elettrici o elettronici del veicolo.
La struttura della custodia prodotta da Constellium è costituita da elementi in alluminio estruso tubolari. La cavità è riempita con un materiale a cambiamento di fase, una sostanza che assorbirà e rilascerà energia termica durante il congelamento o la fusione. È un materiale simile alla cera che funge da sistema di raffreddamento passivo per una batteria, le cui proprietà consentono al materiale di trattenere il calore o di “sciogliersi” per allontanare il calore dalla batteria. Schermando la batteria da temperature estreme, la struttura del contenitore aiuta a prolungarne la durata utile.
La soluzione scelta da Novelis per la fabbricazione della custodia prevede l’utilizzo di laminati in lega di alluminio riciclato della serie Advanz™, una soluzione che è anche in grado di assicurare la protezione necessaria contro gli urti e l’intrusione di detriti stradali o pietre. La lega utilizzata ha alta formabilità e al contempo ha una buona resistenza alla rottura e ottime proprietà di assorbimento di energia. Il vano è progettato per ospitare moduli batteria da 90 kWh, dimensione utilizzata nei pick-up elettrici o in SUV di grandi dimensioni; il design è comunque adattabile anche a batterie di dimensioni diverse. Utilizzando lamiere anziché estrusi o getti di fonderia, la soluzione permette di ottenere un buon contenimento dei costi. Novelis ha progettato e fornito la lega Advanz riciclata, in particolare per il modello di Jaguar Land Rover I-PACE in vendita nel Regno Unito. I laminati in alluminio riciclato impiegati nell’auto sono prodotti negli stabilimenti Novelis di Sierre, in Svizzera, e Nachterstedt, in Germania.
In collaborazione con Audi, Hydro Aluminium ha sviluppato il sistema di alloggiamento della batteria per l’Audi e-tron, il primo modello completamente elettrico del costruttore tedesco. La vettura monta un pacco batterie da 95 kWh di capacità e tensione nominale di 396 Volt, costituito da 36 moduli di celle agli ioni di litio, che si presentano come alloggiamenti in alluminio a forma di parallelepipedo. Sono 12 le celle “pouch” contenute in ogni modulo e sono dotate di un rivestimento esterno flessibile in materiale plastico rivestito di alluminio, capaci di garantire una lunga durata a fronte di una maggiore densità di potenza ed energia. Un altro compito dell’alluminio nella nuova e-tron è di custodire la batteria e proteggerla nella parte inferiore tramite un’apposita lamiera. Per la produzione di profilati per l’automotive, Hydro ha utilizzato, tra le altre, anche la nuova lega ad alta resistenza HS 400 AlMgSi, presentata in dettaglio nel numero 1-2019 di A&L.
Il mercato futuro degli estrusi in alluminio per l’auto elettrica
Bloomberg New Energy Finance stima che la quantità di estrusi di alluminio raggiungerà 80 kg per veicolo elettrico nei prossimi anni, molto più di quanto previsto da Ducker, come riportato nel grafico della figura 5, inclusa anche la quantità richiesta per gli involucri delle batterie. Contando il mercato cinese, entro il 2040, il quantitativo totale di estrusi di alluminio richiesto per i veicoli elettrici potrebbe superare i tre milioni di tonnellate.
Figura 5: Previsione della crescita mondiale del consumo di estrusi al 2026 (fonte: Geoff Scamans, Innoval Technology and Brunel University) 
Figura 6: Valori storici medi delle emissioni di CO2 e obiettivi di CO2 stabiliti per le nuove autovetture in UE. Tutti i valori di CO2 si riferiscono a misurazioni secondo il New European Driving Cycle (NEDC) (fonte: ICCT)
Per questo motivo, un gran numero di nuove presse di estrusione dovrà essere installato in tutto il mondo per soddisfare la crescente domanda, e in parallelo dovranno aumentare le capacità di trattamento termico e finitura richieste per fornire agli estrusi di alluminio per autoveicoli le caratteristiche di qualità e prestazioni richieste. La competizione sui metalli sostenibili continuerà tra alluminio e acciaio, soprattutto perché la differenza di prezzo tra i due diminuisce se le custodie in alluminio sono realizzate con alluminio riciclato. Le leghe di alluminio estruso sono una scelta ottimale e sostenibile per la selezione negli involucri delle batterie, soprattutto se opportunamente associate alle strutture dei veicoli che in precedenza lo hanno ridotto a favore del più economico acciaio. Il consumo di alluminio nei veicoli elettrici dovrebbe accelerare nei prossimi anni anche perché Covid-19 ha di fatto accelerato il passaggio a una ripresa economica più ecologica e sostenibile. Le auto elettriche, con l’alluminio e la sua leggerezza, consentiranno la riduzione delle emissioni di CO2 nell’aria, e questo sarà un fattore determinante e da tenere nella massima considerazione per il nostro futuro “green”.