Tesla: cosa aspettarsi dalle batterie con celle 4680?

Le batterie Tesla con celle 4680 stanno finalmente cominciando a diffondersi, ma quali sono le vere novità tecniche apportate? Scopriamolo.

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a cura di Francesco Daghini

L’efficienza energetica delle batterie utilizzate all’interno delle auto elettriche è un aspetto di importanza fondamentale per consentirne una diffusione sul mercato, e non è quindi sorprendente che un’azienda pioniera della mobilità elettrica come Tesla sia anche tra le più impegnate nello sviluppo e nella creazione di nuove tipologie di batterie: da lungo tempo ormai si sente parlare di batterie con celle in formato 4680, ma solo da pochi mesi Tesla è effettivamente riuscita ad avviare la produzione di queste celle che stanno diventando parte della struttura delle nuove Tesla Model Y, dando così vita a un pacco batteria che diventa elemento strutturale dell’auto, con netto risparmio di peso e una generale semplificazione della produzione, che diventa quindi più economicamente sostenibile.

In fase di presentazione delle celle 4680, in occasione del Tesla Battery Day del 2020, Elon Musk ha comunicato al mondo i seguenti dati: potenza incrementata di 6 volte, capacità di conservazione dell’energia aumentata di 5 volte e +16% di range chilometrico, ma nella realtà dei fatti l’unica vera novità riguarda la potenza, mentre gli altri dati sono un normale incremento complice il volume superiore.

L’aumento di volume si spiega molto facilmente, iniziando dal significato dei numeri che indicano il formato della batteria, partendo dal presupposto che tutte queste celle hanno una forma cilindrica. I 4 numeri che indicano il formato della batteria ne indicano le misure in millimetri; quindi, la cella 1865 ha un diametro di 18mm ed è alta 65mm, la cella 2170 ha un diametro di 21mm ed è alta 70mm, mentre la 4680 ha un diametro di 46mm e un’altezza di 80mm.

Ci si rende conto in un istante che le nuove celle 4680 hanno un volume sensibilmente maggiore rispetto ai formati precedenti, ed è proprio questo aspetto che ha permesso a Tesla di fare affermazioni altisonanti durante la presentazione di queste celle: le 4680 offrono energia 5 volte superiore alle 2170, potenza 6 volte superiore, ma un aumento di autonomia chilometrica che tocca un +16% nel migliore degli scenari. Come mai questa discrepanza tra l’energia immagazzinata, che sembra essere drasticamente maggiore, e l’autonomia che è sì aumentata, ma non in modo rivoluzionario? Colpa del marketing, come spesso accade di questi tempi: facendo i dovuti calcoli, si verifica che il volume delle celle 4680 è di 5.5 volte superiore rispetto a quello delle 2170, il che spiega immediatamente come mai le nuove celle possono contenere così tanta energia in più.

Per fare un confronto più corretto, si sarebbe dovuto parlare di densità energetica, anziché di energia vera e propria: in questo caso il confronto è molto meno esaltante, con la densità energetica delle celle 4680 che raggiunge i 296 Wh/kg, contro gli attuali 260 Wh/kg delle celle 2170. E’ questo il dato che ci spiega quel +16% di autonomia, l’aumento di densità energetica è sensibile, ma non si tratta di un passo avanti in grado di rivoluzionare l’industria, almeno per ora.

Più di una volta Elon Musk ha sottolineato come le celle 4680 siano, a conti fatti, ancora in fase di sviluppo e nei prossimi anni è lecito aspettarsi importanti passi avanti, con Tesla che punta a raggiungere una densità energetica di 400 Wh/kg, quello sì che sarebbe un passo avanti!

Ad oggi, Tesla è l’unica azienda a produrre auto elettriche utilizzando celle di formato cilindrico, mentre praticamente tutti gli altri produttori utilizzano batterie realizzate con le cosiddette “celle a sacchetto” (pouch cell): la cella cilindrica offre una maggiore densità energetica, quella a sacchetto offre più potenza pura, e ormai da anni Tesla ha scelto di utilizzare celle cilindriche per aumentare la densità energetica dei propri pacchi batterie.

Con l’introduzione delle nuove 4680 si cerca quindi colmare il gap di potenza con le celle a sacchetto, risultato che Tesla è riuscita a ottenere grazie al nuovo design ‘tabless’ (“senza tab”) delle celle 4680.

Le celle delle batterie al litio sono realizzate sovrapponendo 3 strati di materiali differenti che vengono poi arrotolati per ottenere la classica forma cilindrica: ai due poli, positivo e negativo, troviamo le cosiddette ‘tab’, degli elementi di collegamento tra i materiali interni e i poli esterni della batteria. La decisione di creare un design che non prevedesse l’utilizzo di tab è ciò che ha permesso a Tesla di ridurre in moto drastico la resistenza che gli elettroni incontrano all’interno della batteria, che si traduce in una maggiore potenza.

Grazie al design tabless le singole tab vengono sostituite da un piccolo strato di rame – già presente nella batteria, non viene aggiunto appositamente il che rende la produzione molto più rapida – che si occupa di trasmettere la corrente. A giudicare dai primi test eseguiti, la resistenza registrata nelle nuove batterie tabless è di 0.00199 Ohms, un dato perfettamente in linea con la resistenza delle batterie con celle a sacchetto. In una batteria a 10A che normalmente ha una perdita di potenza interna pari a circa 2W, utilizzando il nuovo design tabless si riesce a ridurre la perdita di potenza a circa 0.2W. Ecco, quindi, che Tesla può affermare di aver realizzato batterie con una potenza 6 volte superiore rispetto a quelle precedentemente utilizzate, ma si tratta comunque di un livello di potenza già raggiunto da altri produttori concorrenti, e in questo caso Tesla si sta solo rimettendo sullo stesso piano.

Un altro aspetto di grande importanza quando si parla di batterie per auto elettriche è il raffreddamento della batteria stessa: all’interno delle singole celle il calore si sviluppa verticalmente, e quindi ci si è resi conto molto presto che il modo migliore per raffreddare le celle è di avere un contatto diretto tra i poli della batteria e l’elemento di raffreddamento. Sulle nuove celle 4680 questo metodo funziona in modo ancora più efficiente, ancora una volta grazie al design tabless: se prima i poli della batteria avevano una semplice tab a contatto, ora sono a diretto contatto con un intero strato di rame, un materiale noto per la sua conduttività termica, e ciò si traduce in una resistenza termica molto più bassa rispetto alle celle 2170, e quindi a una capacità di raffreddamento nettamente migliore rispetto al passato.

Infine, ci sono tutta una serie di aspetti pratici molto importanti legati all’utilizzo delle celle 4680: come abbiamo definito in apertura, queste celle sono molto più grandi di quelle usate fino ad oggi, il che significa che per creare un pacco batteria servono molte meno celle rispetto al passato, andando a realizzare dei pacchi batteria più compatti e anche più leggeri, visto che è stato utilizzato meno acciaio per gli alloggiamenti delle singole celle cilindriche.

In conclusione, il progetto delle celle 4680 porta con sé evidenti benefici sia dal punto di vista produttivo sia da quello prestazionale, anche se alcune delle caratteristiche presentate come rivoluzionarie non sono altro che un adattarsi agli standard del mercato odierno – che usa quasi interamente batterie con celle a sacchetto, anziché celle cilindriche come fa Tesla. La maggiore potenza è un aspetto molto importante, così come le migliorate prestazioni in fatto di raffreddamento, con quest’ultimo aspetto che si può tradurre anche in una maggiore durata della batteria sul lungo periodo.