Come realizzare una batteria superleggera senza spendere una follia

Ci è capitato più volte su questo sito di parlare di batterie o, più correttamente, di “accumulatori”.
Il termine “batteria” deriva infatti dalla presenza di una serie di accumulatori elettrici raggruppati insieme. Fino a pochi anni fa, l’unica tipologia adoperata sulle nostre motociclette era quella al piombo: un insieme di elettrodi o piastre costituite da biossido di piombo sull’elettrodo positivo e piombo spugnoso sul negativo, il tutto immerso in una soluzione elettrolitica.

Come ben sappiamo, questo tipo di batteria presenta numerosi difetti intrinseci: anzitutto il peso. Il piombo è infatti il metallo più pesante presente in natura: per avere un termine di paragone basti pensare che la sua densità è tale che un contenitore di uguali dimensioni riempito di acqua peserebbe 11 volte meno di uno riempito dello scuro metallo. In secondo luogo, una batteria tradizionale ha una vita limitata, patisce le condizioni atmosferiche e necessita di attenta e costante manutenzione.

Ancora, questi accumulatori si scaricano anche se non collegati ad alcun utilizzatore (processo di autoscarica) e possono definitivamente compromettersi in seguito all’azzeramento della carica: in queste condizioni l’elettrolito aggredisce il piombo delle piastre e si possono verificare cortocircuiti interni tali da non consentire il successivo utilizzo.

Inoltre, non è tanto remota l’eventualità di un’esplosione improvvisa in seguito a sovraccarichi o altre anomalie dell’impianto elettrico. Al riguardo, capita qualche volta di vedere il traliccio del telaio Ducati orribilmente rovinato dalla conseguente colatura dell’elettrolita (fortemente corrosivo).

Per tutti questi motivi, le nuove tecnologie, spinte soprattutto dalla volontà di promuovere la trazione elettrica, hanno negli ultimi tempi reso disponibili, a prezzo accettabile, nuovi tipi di batterie, dove il principio di funzionamento è il medesimo, ma piombo e acido sono sostituiti da componenti più leggeri e meno pericolosi (non dimentichiamo, infatti, che il piombo è un metallo altamente tossico).

In un primo momento si è diffusa la presenza di batterie migliorate solo in parte: versatili e funzionali, come quelle sigillate o “senza manutenzione” oppure le batterie a secco e al gel, che non contenendo liquidi al loro interno possono essere posizionate senza particolari restrizioni.

La loro manutenzione è pressoché azzerata, mentre il costo è solo poco più alto rispetto a quello delle batterie tradizionali.

Tuttavia, la vera rivoluzione arriverà con la prossima generalizzazione di accumulatori elementari al litio, un metallo alcalino per molti versi simile al piombo, ma la cui ridottissima densità lo fa pesare la metà dell’acqua!

Si tratta pertanto di un elemento leggerissimo, specie rispetto al piombo: facendo un conto elementare, utilizzare questo metallo per una batteria potrebbe ridurne il peso di circa 22 volte!

In effetti, la realtà dei fatti non è tanto diversa, ostacolata solo dalla difficile reperibilità del litio allo stato puro (basti pensare che il 50% del totale disponibile sul pianeta Terra è presente sotto forma di sale sulle Ande boliviane!) e dalla particolarità dei processi necessari per realizzarne un accumulatore.

Come ben sappiamo, sulla quasi totalità dei piccoli dispositivi tecnologici, tipo PC, fotocamere, cellulari, ecc, l’uso di batterie di questo tipo è ormai generalizzato, principalmente per le migliori caratteristiche rispetto ad altre combinazioni di metalli, come il nichel-cadmio e il nichel-metal-idrato, i quali portano a realizzare accumulatori sensibili al cosiddetto “effetto memoria”, che consiste nella perdita progressiva di capacità dovuta a ricariche ripetute prima che la carica totale sia completamente esaurita.

Queste batterie “ricordano” cioè la capacità energetica precedente alla ricarica: così, se quest’ultima è effettuata quando si è usato solo il 30% della capacità totale, al successivo utilizzo sarà disponibile solo il 70%.

Dalle vecchie batterie al piombo alle moderne unità al litio il salto è stato enorme, sia in termini di peso che di dimensioni.

Ripetendo questo processo varie volte è facile intuire come dopo un po’ di tempo la batteria diventi di fatto inutilizzabile. Ecco perché, prima dell’arrivo della tecnologia al litio, era impensabile adoperare questo tipo di batterie sui mezzi a motore, poiché la ricarica avviene in maniera continuativa e per qualsiasi stato di ricarica.

Lo studio di questa nuova frontiera ha portato allora alla scoperta di diverse “combinazioni” utili allo sfruttamento del prezioso metallo. Una è quella che prevede l’associazione di accumulatori agli ioni di litio (Li-Ion). Questi, allo stato completamente solido, possono essere realizzati in una vasta gamma di forme e dimensioni, in modo da adattare efficientemente la forma della batteria allo spazio disponibile.

Ovviamente non soffrono dell’effetto memoria e hanno un basso ritmo di autoscarica (approssimativamente pari al 5% mensile), principalmente dovuto all’assorbimento dell’elettronica necessaria per il loro funzionamento.

Difatti, oltre che per la stabilizzazione della tensione, è necessario un circuito ausiliario che non permetta il completo scaricamento: come per le batterie al piombo anche quelle al Li-Ion subiscono in tale eventualità danni irreversibili.

Un’altra combinazione è quella, più moderna, delle batterie Li-Po, ovvero ai polimeri di litio. La differenza è sostanzialmente solo nella natura dell’elettrolita, un polimero invece di un composto organico solido.

In sostanza, gli elementi di litio sono riuniti in una speciale plastica trattata invece che in una particolare pasta.

Ciò permette una superiore libertà nella conformazione dei singoli accumulatori, che sono solitamente nella forma di sottili lamine (ciò che di fatto ha reso possibile la creazione di telefoni e altri dispositivi sottilissimi). I difetti principali sono una durata inferiore e una maggior lentezza nella ricarica.

La terza combinazione più diffusa è quella delle batterie al litio-ferro-fosfato (Li-Fe o Li-Fe-P), di tipo peraltro assai variabile. Caratterizzate da un’elevata resistenza elettrica, sono però più economiche rispetto alle precedenti, perché usano il comune ferro e hanno una durata superiore. A interessarci direttamente, inoltre, è il fatto che abbiano una corrente di picco molto più alta, ovvero più che sufficiente a far fronte all’avviamento di un motore a combustione interna.

Sebbene qualcuno ci abbia provato, infatti, con le batterie Li-Ion e Li-Po è necessario associare un gran numero di accumulatori per fare fronte alle necessità di un propulsore come, ad esempio, il bicilindrico Ducati, oppure il sei cilindri Porsche: la casa di Stoccarda è stata infatti la prima a offrire in opzione una batteria “leggera” (peraltro di tipo Li-Ion). Al momento dell’acquisto e a fronte di un prezzo di circa 2000 Euro è dunque possibile averla, con un risparmio di ben 10 Kg rispetto a quella standard.

Tornando nel campo delle due ruote, mentre iniziano timidamente a presentarsi offerte industriali in tal senso, non sono pochi gli appassionati che hanno equipaggiato di batterie al Litio le proprie motociclette, affidandosi alle proprie capacità nel campo del fai-da-te, oppure ad assemblatori amatoriali.

Un’ipotesi economica e funzionale è quella di adoperare accumulatori facilmente reperibili in commercio destinati, ad esempio, al modellismo. Tra questi, ovviamente, i più adatti sono quelli al Li-Fe-P, la maggior parte dei quali sono commercializzati dalla A123 Systems, che li propone in diverse configurazioni, tutte con tensione nominale di 3,3 V, ma con capacità variabile a partire da 1,1 Ah.

Ovviamente il prezzo sale in maniera cospicua al crescere del numero di Ampere/ora erogabili. In ogni caso, la corrente di picco è piuttosto alta e il peso di un singolo accumulatore è inferiore ai 50 grammi!

Per dare un’idea delle eccellenti prestazioni di questi accumulatori, basti pensare che con correnti di scarica anche di ben 25 A, la tensione rimane costante a un valore non inferiore ai 2,7 V (più dell’80% del valore nominale). Detto questo, è ovviamente necessario collegare in serie 4 accumulatori da 3,3 V per ottenere una tensione prossima a quella necessaria sulla moto (12 V). Naturalmente, a seconda degli accumulatori utilizzati, la capacità sarà insufficiente, quindi si tratterà di unire in serie non solo 4 singoli elementi, ma 4 gruppi di elementi a loro volta collegati in parallelo.

Ciò significa che per comporre una batteria sufficiente a garantire le stesse prestazioni di quella originale al piombo occorreranno almeno dai 16 ai 24 accumulatori: quelli della A123 possono essere reperiti sia singolarmente che in pacchi multipli già assemblati e le versioni più adatte allo scopo hanno prezzi che partono da una decina di Euro (1,1 Ah) fino ai 30 Euro (2,3 Ah).

In sostanza, il prezzo finale è ben superiore a quello di una batteria tradizionale, ma il peso è inferiore anche di 3-4 Kg!

Il collegamento tra gli elementi si può effettuare tramite lamierini saldati o semplici fili elettrici di sezione adeguata, facendo attenzione a non otturare lo sfiato centrale posto a una estremità di ciascun accumulatore, indispensabile per scongiurare eventuali esplosioni.

Il gruppo completo può essere poi riunito insieme con del nastro o della guaina termorestringente. L’unica complicazione deriva dall’opportuno inserimento di un circuito di bilanciamento tra i gruppi in serie: infatti, difficilmente avranno tutti la stessa tensione nominale.

Se ne possono trovare di già pronti, oppure con pochissima spesa se ne può realizzare uno seguendo lo schema riprodotto qui sopra, del tipo comunemente usato nel modellismo.

Data la collocazione piuttosto alta della batteria su molti modelli Ducati, una riduzione tanto cospicua di peso potrà essere apprezzata sia da chi calca l’asfalto delle piste che da chi affronta quotidianamente il trasferimento casa-lavoro.