Tuttavia, le modifiche alla progettazione del pacco batterie possono anche migliorare significativamente l'autonomia del veicolo aumentando la densità energetica a livello del pacco stesso. La tecnologia cell-to-pack ne è un esempio ed è stata sviluppata da diversi importanti attori del settore, tra cui BYD, Tesla e CATL. Le tendenze della tecnologia cell-to-pack sono analizzate in dettaglio nel nuovo rapporto di mercato di IDTechEx, "Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2026–2036: Technologies, Markets, Forecasts".

cella-modulo-pacchetto, cella-pacchetto e cella-chassis

La struttura standard dei pacchi batteria utilizzata dai produttori di apparecchiature originali (OEM) del settore automobilistico negli anni 2010 e nei primi anni 2020 era quella "cella-modulo-pacco" (CMP), che descrive un sistema in cui più celle sono raggruppate in un modulo e più moduli formano un pacco. Il vantaggio di questo design è che i pacchi sono altamente modulari, consentendo un facile adattamento a veicoli più grandi, nonché una facile riparazione e sostituzione. È anche un design semplice in termini di gestione termica e integrazione con il sistema di gestione della batteria. Tuttavia, la presenza di un ulteriore livello nella gerarchia del pacco richiede componenti non attivi aggiuntivi, in particolare l'alloggiamento del modulo e il cablaggio interno. Ciò riduce l'efficienza di impacchettamento e, di conseguenza, la densità energetica sia a livello di pacco che di veicolo.

Il sistema cell-to-pack (CTP) descrive un sistema in cui le celle sono integrate direttamente nell'involucro, senza essere stoccate in moduli individuali. Ciò riduce i componenti di materiale non attivo e aumenta il rapporto cell-to-pack (ovvero il rapporto tra il volume/massa delle celle e il volume/massa dell'involucro), il che a sua volta consente di aumentare l'autonomia del veicolo.

Il sistema cell-to-body (CTB) porta questo concetto un passo avanti, descrivendo un sistema in cui le celle sono integrate direttamente nel pacco batterie, e il pacco stesso funge da componente strutturale della carrozzeria del veicolo. Ciò richiede materiali aggiuntivi per rinforzare meccanicamente il pacco, il che riduce la densità energetica a livello del pacco, ma consente comunque una maggiore autonomia del veicolo rispetto al sistema cell-to-pack, poiché aumenta la densità energetica a livello del veicolo (grazie alla minore quantità di materiale necessaria per l'intera carrozzeria).

Aziende che utilizzano la tecnologia CTP e CTB: CATL, BYD, LG ES, Tesla

Le tecnologie CTP e CTB hanno iniziato a essere implementate solo di recente. Ciò è dovuto a diversi fattori: in primo luogo, la tecnologia richiede sistemi di gestione termica alternativi, che necessitavano di sviluppo; in secondo luogo, la tecnologia richiede design delle celle adattati. Nello specifico, le tecnologie CTP e CTB possono essere implementate in modo efficace solo utilizzando celle di grande formato, principalmente celle prismatiche di grandi dimensioni e celle cilindriche di grandi dimensioni (46x).

Questi tipi di celle hanno iniziato a essere impiegati solo negli ultimi cinque anni, con la Blade Gen 1 di BYD che è stata una delle prime celle prismatiche di grande formato compatibili con i design CTP, mentre BYD e Tesla sono state le prime a sviluppare pacchi CTB. Altri importanti attori in questo settore includono sia sviluppatori di celle che produttori di apparecchiature originali (OEM) del settore automobilistico, come CATL, LG ES, Volkswagen, Stellantis e SVOLT. Per un'analisi più dettagliata degli attori CTP e CTB, si veda il recente rapporto IDTechEx, "Electric Vehicle Battery Cell and Pack Materials 2026-2036: Technologies, Markets, Forecasts".

BYD Blade Gen 2: consente un rapporto celle-pacchetto più elevato

BYD ha recentemente annunciato la prima implementazione della sua cella Blade di seconda generazione nella DENZA Z9GT, che vanta un'autonomia impressionante di 1.036 km. Le celle Blade di prima generazione di BYD hanno dominato il mercato e contribuito in modo significativo al predominio delle batterie al litio ferro fosfato (LFP) in Cina.

Sia la prima che la seconda generazione utilizzano un design prismatico della batteria, sebbene la Blade 2.0 utilizzi un catodo LMFP anziché un catodo LFP, nonché un anodo composito silicio-carbonio invece di grafite pura. Entrambe le modifiche chimiche consentono una densità energetica significativamente maggiore e una ricarica rapida migliorata. La Blade 2.0 utilizza anche una nuova formulazione di elettrolita, chiamata "Flash-Flow", che mira a migliorare la mobilità degli ioni di litio e ad aumentare la velocità di ricarica.

Blade 2.0 sembra inoltre consentire un rapporto celle/pacco più elevato, grazie alla tecnologia CTB. Sebbene i rapporti celle/pacco specifici dipenderanno dal modello del veicolo e dal design del pacco batteria, si afferma che la tecnologia offra un utilizzo del volume celle/pacco del 76%, significativamente superiore alla media dei design CTB. È anche superiore a quello dei pacchi Blade di prima generazione, che inizialmente offrivano un utilizzo del volume celle/pacco del 62%.

Ciò è in parte dovuto ai miglioramenti apportati al sistema di gestione termica del pacco batterie Blade 2.0, che utilizza il raffreddamento a liquido su due piani: la parte superiore e quella inferiore del pacco. Questo aumenta anche il rapporto gravimetrico celle-pacco, grazie a una significativa riduzione del peso del sistema di gestione termica. Si prevede che questa tecnologia consentirà un notevole miglioramento dell'autonomia e delle capacità di ricarica dei veicoli elettrici cinesi di prossima generazione.

Prospettive sui materiali per la progettazione "dalla cella al pacco"

Le tecnologie cell-to-pack modificano le proporzioni dei materiali del pacco batteria in diversi modi. In primo luogo, poiché sono necessarie celle di grandi dimensioni, le proporzioni di materiali non attivi a livello di cella si riducono. In secondo luogo, eliminando gli involucri dei moduli, è possibile ridurre anche i requisiti di materiali non attivi a livello di pacco. In terzo luogo, i design cell-to-pack e cell-to-body possono richiedere modifiche ad altri materiali a livello di pacco; ad esempio, sistemi di gestione termica più potenti (poiché il raffreddamento passivo è ridotto grazie alla maggiore efficienza di impacchettamento) e involucri meccanicamente più stabili per i pacchi cell-to-body (CTB). Le tecnologie cell-to-pack (CTP) e cell-to-body hanno conquistato una quota di mercato significativa in Cina e stanno guadagnando popolarità in Nord America ed Europa. IDTechEx prevede che il CTP diventerà la scelta di design dominante per i pacchi batteria delle autovetture nel prossimo decennio, in quanto consente di aumentare l'autonomia del veicolo senza modificare i requisiti di spazio del pacco batteria.

Inoltre, il rapporto evidenzia che il passaggio alle architetture CTP e CTB non solo risponde all'esigenza di migliorare la densità energetica, ma anche di ottimizzare i costi a livello di sistema. Riducendo il numero di componenti strutturali e semplificando l'assemblaggio, i produttori possono abbassare sia i costi dei materiali che quelli di produzione. Questo è un fattore chiave in un contesto in cui la competitività dei veicoli elettrici dipende sempre più dalla riduzione del costo totale per kWh.
Un altro aspetto rilevante è l'impatto di queste architetture sulla sicurezza delle batterie. Sebbene l'eliminazione dei moduli introduca nuove sfide, soprattutto per quanto riguarda la propagazione termica tra le celle, i progressi nei materiali per l'interfaccia termica, nelle barriere antifiamma e nei sistemi di raffreddamento attivo stanno mitigando questi rischi. Infatti, i progetti più recenti integrano soluzioni avanzate di isolamento e dissipazione del calore in grado di eguagliare o addirittura superare i livelli di sicurezza dei tradizionali sistemi CMP.

In termini di materiali, il passaggio a CTP e CTB sta alimentando una crescente domanda di soluzioni multifunzionali. Ad esempio, i materiali strutturali devono combinare resistenza meccanica con adeguate proprietà termiche, mentre adesivi e sigillanti devono offrire sia adesione strutturale che conduttività termica o resistenza al fuoco. Ciò sta favorendo l'innovazione nei polimeri avanzati, nei compositi e nei materiali ibridi.
Il rapporto sottolinea inoltre che l'adozione di queste tecnologie non sarà uniforme a livello globale. La Cina è chiaramente all'avanguardia nell'implementazione di CTP e CTB grazie alla forte integrazione verticale delle sue industrie di batterie e automobilistiche, mentre Europa e Nord America procedono a un ritmo più graduale, vincolati dall'adattamento delle proprie catene di approvvigionamento e dalle normative di sicurezza.

Guardando al futuro, IDTechEx prevede che la convergenza di nuove chimiche per le batterie (come LMFP o anodi ricchi di silicio) e architetture avanzate come CTP e CTB sarà cruciale per raggiungere autonomie superiori a 800-1000 km nei veicoli di produzione di massa. Allo stesso tempo, si prevede che queste innovazioni miglioreranno significativamente i tempi di ricarica e la durata delle batterie.
Nel complesso, la transizione verso design "cella-pacco" e "cella-corpo" rappresenta un cambiamento strutturale nell'ingegneria delle batterie per veicoli elettrici, con profonde implicazioni per materiali, produzione, costi e prestazioni. Queste tecnologie non solo ridefiniscono l'architettura del pacco batterie, ma svolgeranno anche un ruolo chiave nella prossima generazione di mobilità elettrica.