La batteria della Renault Zoe raddoppia, ma come è stato possibile?

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Recentemente Renault ha reso disponibile per la sua Zoe ZE 40 una nuova batteria che nello stesso spazio (e quasi nello stesso peso) di quella vecchia offre una capacitàs praticamente doppia: ben 41 kWh di capacità utile contro i 22 del modello precedente.

Ma come è stato possibile? Ha del miracoloso? O è un dato credibile?

Facendo qualche conto tenendo anche conto del peso, cresciuto marginalmente da 290 a 305 kg, si vede che la densità gravimetrica di energia del pacco batterie è passata da circa 75.8 Wh/kg a ben 134.4 Wh/kg.

Ricordiamoci che si tratta di un pacco batterie, ottenuto assemblando un gran numero di celle elementari (192 per l’esattezza).

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Le celle elementari standard spesso hanno una forma che non è necessariamente ottimale per impaccarle: un po’ di spazio viene sprecato (senza contare la necessità di prevedere dei canali di ventilazione, per la regimazione termica del pacco batterie, oltre naturalmente a degli spazi per il passaggio dei cavi elettrici).

In questo video c’è un’animazione dei componenti che compongono il pacco batterie della Renault Zoe ZE 40.

Gli elementi che costituiscono un pacco batterie

Per esempio, se i pacchi batterie della Zoe fossero costituiti da normali elementi 18650, questi, anche nella migliore delle ipotesi, per la loro forma cilindrica non potrebbero essere impaccati in modo perfettamente efficiente.

Vedendo di lato un gruppo di cilindri che riempie un volume, si vedrebbero per forza delle “arie”, volume sprecato in cui nessuna energia viene immagazzinata.

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È dimostrato (Lagrange, 1773) che coprendo un piano con dei cerchi in modo ottimale (i centri sono disposti come centri e vertici di esagoni regolari) si copre al massimo il 90% circa dell’area.

Quindi un pacco batterie fatto di elementi cilindrici come le 18650 avrebbe una densità gravimetrica e volumetrica di energia peggiore di circa il 10% a quella delle singole celle; questo senza tener conto (per semplificare i calcoli) degli ulteriori, ma inevitabili sprechi di spazio per i passaggi per i cavi, per l’ingombro della struttura meccanica che deve reggere il tutto, e così via.

Considerato singolarmente, un ottimo elemento 18650 (per esempio la cella NCR18650G da 3.6 V e 3600 mAh, pesante 47.5 g, lunga 65 mm e con un diametro di base di 18.6 mm) ha una densità gravimetrica di 272 Wh/kg e una densità volumetrica di 733 Wh/litro. Ebbene se immaginiamo di realizzare un pacco batterie con queste celle, tali valori, riferiti al pacco batterie nel suo insieme, scenderanno a non più di 245 Wh/kg e 660 Wh/litro.

Un buon pacco batterie per la nuova Zoe, ma nulla di miracoloso

Quindi se il nuovo pacco batteria della Zoe ad alta capacità ha una densità gravimetrica di 134.4 Wh/kg, esso esibisce un valore tutt’altro che irraggiungibile o miracoloso, ma ben entro i limiti di quanto ottenibile aggregando in un pacco batterie uno fra i migliori tipi di celle 18650.

C’è anzi ancora spazio per migliorare, visto che teoricamente si potrebbero raggiungere i 245 Wh/kg (con tecnologie commercialmente disponibili oggi, senza contare grafene negli elettrodi né cambiamenti nella formulazione chimica o altro).

Per confronto, in base ai dati disponibili, la densità gravimetrica del pacco batterie di una Tesla Model S (sicuramente costituito da elementi 18650, e nemmeno impaccati in modo ottimale dal punto di vista della pura densità volumetrica) risulta variare da circa 127 a 183 Wh/kg.

Di fatto, l’impressione che si ha è che fosse modesta la densità gravimetrica del vecchio pacco batterie Zoe, non tanto che ci siano stati miracoli nella progettazione di quello nuovo.