Come funzionano le batterie e i sistemi BMS — Molicel, DJI, Samsung SDI

Una batteria converte lo scambio di elettroni derivante da una reazione chimica in corrente elettrica utilizzabile, e una batteria agli ioni di litio, nello specifico, ricava energia dalla differenza di potenziale creata dal movimento degli ioni di litio tra un elettrodo positivo e uno negativo. Quando si parla di cosa rende performante un robot o un drone, l'attenzione si concentra solitamente su sensori come LiDAR o IMU, ma in pratica, ciò che limita effettivamente l'autonomia, la capacità di carico utile e il margine di sicurezza di un veicolo è quasi sempre la batteria e il BMS (Battery Management System) che la controlla. Indipendentemente dalla potenza dei sensori o dei motori, se il sistema di alimentazione rappresenta il collo di bottiglia, il velivolo non vola e il robot non cammina.

Celle cilindriche agli ioni di litio 18650 (a sinistra) e 21700 (a destra)

Interno di un pacco batteria: più celle collegate in serie/parallelo, più una scheda BMS

Immagini: 18650 e cella batteria agli ioni di litio 21700 (Sevenethics, CC0) / Lithiumion-laptop-battery-internals (Titolare del copyright, CC BY-SA 3.0), entrambi Wikimedia Commons.

Principio: il movimento avanti e indietro degli ioni di litio e il vincolo chiamato C-rate

Durante la scarica, gli ioni di litio trattenuti nell'elettrodo negativo (tipicamente grafite) si spostano attraverso l'elettrolita verso l'elettrodo positivo (un ossido di metallo di transizione come l'ossido di litio-cobalto), mentre simultaneamente gli elettroni fluiscono attraverso il circuito esterno verso l'elettrodo positivo, generando corrente. Per la comune coppia anodo di grafite / catodo di ossido di litio-cobalto, le semireazioni possono essere scritte come segue.

Durante la carica, questa reazione avviene al contrario: una fonte di alimentazione esterna spinge gli elettroni verso l'elettrodo negativo, riportando gli ioni di litio da quel lato. La specifica combinazione dei materiali degli elettrodi determina la tensione nominale, la densità di energia e le caratteristiche di sicurezza: è proprio da qui che derivano le differenze chimiche (NMC, NCA, LiFePO4 e così via) tra i prodotti confrontati di seguito.

Modello di scarica di una batteria agli ioni di litio (elettrolita liquido / schema del separatore)

Immagine: General schema di scarica di una batteria al litio (Sdk16420, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Per le applicazioni robotiche e per droni, un parametro che in pratica conta più dell'elettrochimica stessa è il "C-rate". Il C-rate è un valore adimensionale che esprime quanti multipli della capacità nominale di una cella (in Ah) corrisponde alla corrente effettiva (in Ah).

Ad esempio, prelevare 45 A da una cella con una capacità nominale di 4,2 Ah corrisponde a circa 10,7 C. Nei droni e nei robot a gambe che richiedono elevate correnti istantanee per alimentare i motori, la scelta di una cella che non è in grado di sostenere un'elevata scarica a C-rate non solo limita le prestazioni a causa del calo di tensione e del calore generato dalla resistenza interna, ma aumenta anche il rischio di degrado accelerato e instabilità termica. La densità energetica (Wh/kg, Wh/L) e la capacità di scarica ad alto C-rate sono in conflitto tra loro, e questo compromesso si collega direttamente alle richieste di corrente sul lato attuatore (motore) del sistema.

Questa stessa struttura è alla base della stima dello stato di carica (SOC) effettuata da un BMS. Il metodo più semplice, il conteggio di Coulomb, integra la corrente nel tempo per monitorare la capacità residua.

Questa equazione ha la stessa struttura dell'integrazione della velocità angolare per la stima dell'assetto in un'IMU e presenta lo stesso problema: gli errori nella misurazione del sensore di corrente si accumulano nel tempo come "deriva". In pratica, un BMS azzera periodicamente l'errore del conteggio di Coulomb prendendo come riferimento la tensione a circuito aperto (OCV) – la relazione tra OCV e SOC quando la batteria non è sotto carico – oppure fonde il riferimento OCV con la corrente integrata utilizzando un filtro di Kalman esteso.

Batterie a stato solido: sostituzione dell'elettrolita con un solido

Quasi tutte le batterie agli ioni di litio attualmente in uso utilizzano un solvente organico liquido infiammabile come elettrolita che separa gli elettrodi positivo e negativo. Una batteria a stato solido sostituisce l'elettrolita liquido con uno solido – ceramico (a base di ossido), solfuro o polimerico – che riduce strutturalmente il rischio di perdite e di incendi causati da solventi volatili. Inoltre, apre la strada all'utilizzo del litio metallico stesso come anodo (depositando e dissolvendo il litio direttamente, senza un materiale ospite come il carbonio), il che può aumentare sostanzialmente la densità energetica per unità di volume e peso. Mentre un tipico pacco batterie agli ioni di litio si attesta all'incirca tra i 160 e i 260 Wh/kg, i modelli a stato solido superano i 300 Wh/kg, con alcuni risultati di laboratorio che raggiungono i 400-500 Wh/kg.

Schema strutturale di una batteria a stato solido

Immagine: All-Solid-State Battery (Luca Bertoli, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Le sfide sono altrettanto chiare. Le interfacce solido-solido non possono raggiungere lo stesso contatto senza soluzione di continuità di un elettrolita liquido, quindi la resistenza interfacciale tende a essere un problema, e l'abbinamento della conduttività ionica a livello di un elettrolita liquido è da tempo il principale ostacolo tecnico. Si è inoltre scoperto che l'ipotesi iniziale, secondo cui un elettrolita solido avrebbe bloccato fisicamente la crescita dei dendriti, non è del tutto corretta: diverse segnalazioni hanno documentato la propagazione dei dendriti attraverso i bordi dei grani degli elettroliti solidi, causando cortocircuiti interni. Il semplice passaggio a un elettrolita solido non garantisce automaticamente la sicurezza.

Cosa fa un BMS: monitoraggio, bilanciamento e protezione

Un BMS è un circuito di controllo basato su due funzioni principali: monitorare continuamente la tensione, la corrente e la temperatura di ogni cella in un pacco batterie e uniformare le differenze tra le celle tramite il "bilanciamento delle celle", interrompendo la corrente in caso di guasto ("protezione").

Scheda di controllo BMS all'interno di un pacco batterie ai polimeri di litio (applicazione per laptop)

Immagine: Asus Zenbook UX31E - Controller per batteria ai polimeri di litio (Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Il bilanciamento delle celle risolve le piccole differenze di tensione e capacità che inevitabilmente si verificano tra le celle collegate in serie all'interno di un pacco. L'approccio più comune, il "bilanciamento passivo", scarica leggermente solo le celle a tensione più elevata attraverso una resistenza per allinearle alle altre: semplice da implementare, ma l'energia scaricata viene dispersa sotto forma di calore. L'alternativa più costosa, il "bilanciamento attivo", trasferisce energia dalle celle a voltaggio più elevato a quelle a voltaggio inferiore, risultando più efficiente dal punto di vista energetico ma aumentando la complessità del circuito. Saltando il bilanciamento, la capacità effettiva dell'intero pacco batterie viene limitata dalla cella più debole, con una cella degradata più soggetta a entrare nella pericolosa zona di sovraccarico o scarica eccessiva.

La funzione di protezione interrompe il flusso di corrente tramite un interruttore MOSFET nel momento in cui rileva sovraccarico, scarica eccessiva, sovracorrente, cortocircuito o surriscaldamento. Parallelamente, il BMS stima lo SOH (State of Health, ovvero il grado di degrado della batteria) – il rapporto tra la capacità effettiva attuale e la capacità originale – e lo comunica al controllore di volo o al sistema di controllo del robot, mantenendo accurate le stime dell'autonomia residua. L'intera infrastruttura elettronica di bordo, incluso il SBC (computer a scheda singola), prende decisioni relative all'allocazione di potenza e all'atterraggio o all'arresto di emergenza in base ai dati riportati dal BMS.

Confronto delle specifiche chiave dei prodotti

Batteria di volo intelligente TB65 | Pacco batteria agli ioni di litio (BMS integrato) | DJI | Capacità 5880 mAh, 44,76 V, energia 263,2 Wh, peso circa 1,35 kg, fino a 400 cicli | Per i droni industriali Matrice 350 RTK / 300 RTK. Il BMS integrato gestisce la tensione per cella e l'autoriscaldamento |

BQ76952 | Circuito integrato BMS (monitor/protezione batteria) | Texas Instruments | Supporta 3S–16S, misura la tensione delle celle con risoluzione a 16 bit (passi di 1 mV), bilanciamento delle celle autonomo o controllato dall'host, comunicazioni I2C/SPI/HDQ | Un circuito integrato monitor/protezione batteria altamente integrato che integra anche i driver MOSFET di carica/scarica on-chip |

LTC6811-1 | Circuito integrato BMS (monitor di stack multicella) | Analog Devices | Supporta fino a 12 celle in serie, errore di misurazione totale inferiore a 1,2 mV, misura tutte e 12 le celle in 290 µs, isoSPI per comunicazioni a lunga distanza | Fornisce bilanciamento passivo controllato da PWM per cella con un'interfaccia di comunicazione isolata e resistente al rumore |

Batteria a stato solido (ASB) | Batteria a stato solido (fase di spedizione campioni) | Samsung SDI | Densità energetica volumetrica 900 Wh/L (+40% rispetto alle celle prismatiche prodotte in serie) | Ha realizzato una linea pilota presso il suo centro di ricerca e sviluppo a Suwon e sta spedendo campioni a clienti nei settori dei veicoli elettrici, dell'intelligenza artificiale integrata e della robotica umanoide, con l'obiettivo di avviare la produzione di massa nel 2027 |

Una cella ad alta scarica come la P42A di Molicel è adatta ad applicazioni che richiedono elevate correnti istantanee, come i motori dei droni o le articolazioni di un braccio robotico, grazie a un design che bilancia la capacità con il tasso di scarica (C-rate). Al contrario, una cella che privilegia la densità energetica sopra ogni altra cosa, come le celle Panasonic utilizzate da Tesla, tende ad essere scelta per le applicazioni dei veicoli elettrici, dove il profilo di carico del motore è relativamente uniforme. La TB65 di DJI non è una semplice cella, ma un pacco completo con un BMS integrato; nelle operazioni industriali con droni, è prassi comune trattare queste "batterie intelligenti" come unità operative, anziché gestire direttamente le singole celle. Tra i circuiti integrati BMS, il BQ76952 di Texas Instruments è un design altamente integrato che incorpora anche i driver MOSFET di carica/scarica su un singolo chip, mentre l'LTC6811-1 di Analog Devices è specializzato nella misurazione della tensione di cella ad alta precisione (inferiore a 1,2 mV) e può essere collegato in serie con più chip per scalare oltre le 12 celle per pacco. Il fatto che l'ASB di Samsung SDI stia inviando campioni non solo ai produttori di veicoli elettrici, ma anche a clienti nel settore dell'intelligenza artificiale integrata e della robotica umanoide, indica che le batterie a stato solido stanno ampliando il loro campo di applicazione ben oltre il settore automobilistico.

Storia: un sottoprodotto della crisi petrolifera, la commercializzazione di Sony e un premio Nobel

Le origini delle batterie agli ioni di litio risalgono ai primi anni '70. M. Stanley Whittingham scoprì che gli ioni di litio potevano essere inseriti e rimossi reversibilmente dalla struttura stratificata del disolfuro di titanio (TiS2) e, dopo essere passato alla Exxon, realizzò un prototipo di batteria basato su questo principio. Tuttavia, l'anodo di litio metallico di quell'epoca presentava problemi di sicurezza e, quando il crollo dei prezzi del petrolio alla fine degli anni '70 spinse la Exxon a ridurre gli investimenti nella ricerca sulle energie alternative, la tecnologia perse per un certo periodo la strada verso la commercializzazione.

Nel 1980, John Goodenough dell'Università di Oxford fece un importante passo avanti nella stabilità delle batterie utilizzando l'ossido di litio-cobalto (LiCoO2) come materiale catodico. Successivamente, Akira Yoshino di Asahi Kasei abbinò il catodo di LiCoO2 di Goodenough a un anodo di carbonio derivato dal coke di petrolio, realizzando entro il 1985 una struttura di batteria che eliminava completamente il litio metallico, bilanciando sicurezza e praticità. Questa struttura di base rimane tuttora il design principale per le batterie agli ioni di litio.

Fu Sony a compiere il salto verso la commercializzazione: nel 1991, Sony Energy Tec (ora Sony Energy Devices) divenne la prima azienda al mondo a commercializzare batterie agli ioni di litio. La joint venture tra Asahi Kasei e Toshiba iniziò la produzione l'anno successivo, e Sanyo Electric e Matsushita Electric Industrial (ora Panasonic) si unirono nel 1994, con le aziende giapponesi a guidare il mercato nei suoi primi anni. Questo risultato non fu formalmente e ampiamente riconosciuto fino a un quarto di secolo dopo: nel 2019, il Premio Nobel per la Chimica fu assegnato congiuntamente a Whittingham, Goodenough e Yoshino.

Cosa ha insegnato il Boeing 787 all'industria sui limiti di un BMS e sulla frontiera della previsione del degrado

Il più grande richiamo di batterie per laptop di Sony — Nell'agosto del 2006, Dell, Apple e diversi altri produttori di PC lanciarono un massiccio richiamo di laptop dotati di batterie agli ioni di litio prodotte da Sony. Fu riscontrato un difetto di fabbricazione – la contaminazione da particelle metalliche – in grado di causare cortocircuiti interni, surriscaldamento e incendi, e il richiamo finì per interessare circa 9,6 milioni di unità. La Commissione per la Sicurezza dei Prodotti di Consumo degli Stati Uniti (CPSC) lo definì "il più grande richiamo di prodotti informatici" della sua storia. Si stima che la quota di costi a carico di Sony abbia raggiunto centinaia di milioni di dollari. Il richiamo divenne una lezione per l'intero settore: nessun progetto di BMS, per quanto valido, può sostituire completamente il controllo qualità a livello di singola cella di produzione.

La reazione termica incontrollata che ha messo a terra i Boeing 787 in tutto il mondo — Nel gennaio 2013, un Boeing 787 della Japan Airlines (JAL), parcheggiato all'aeroporto internazionale Logan di Boston, ha preso fuoco e ha emesso fumo a causa di una batteria agli ioni di litio prodotta da GS Yuasa che alimentava la sua unità di alimentazione ausiliaria. In un rapporto adottato nel 2014, il National Transportation Safety Board (NTSB) statunitense ha concluso che un cortocircuito interno a una cella ha causato una "reazione termica incontrollata" che si è propagata alle celle adiacenti: questa è stata la causa diretta. Altrettanto importante: l'indagine ha esplicitamente rilevato che "il circuito di sicurezza integrato nel connettore... [era] incapace di arrestare una reazione termica incontrollata una volta in corso". In risposta, la Federal Aviation Administration (FAA) statunitense ha bloccato a terra l'intera flotta di Boeing 787, una misura straordinaria che non veniva adottata dal 1979. Un BMS (Battery Management System) può rilevare i primi segnali di un problema e interrompere la corrente, ma non ha alcun mezzo per arrestare una reazione a catena termica incontrollata una volta che si è innescata all'interno di una cella: un limite che questo incidente ha messo in luce in modo drammatico per l'intero settore.

La batteria agli ioni di litio dell'APU bruciata nell'incidente dell'incendio del JAL 787 del 2013 (fotografata dall'NTSB)

Immagine: 1-7-12 Batteria APU JAL787 (National Transportation Safety Board, pubblico dominio), Wikimedia Commons.

Prevedere il degrado prima che si verifichi la rottura — Ognuno di questi incidenti di fuga termica è diventato visibile solo dopo che il degrado o un difetto interno avevano già superato una certa soglia. La ricerca volta a cambiare questo schema del "lo si scopre solo dopo che si è rotto" è diventata uno dei principali campi di battaglia nella recente ricerca sui sistemi di gestione delle batterie (BMS). Un articolo pubblicato nell'aprile 2026, "A Deep Learning Model for Battery State Prediction towards Intelligent Energy Management" (arXiv:2605.00898), applica un modello di deep learning a un ampio set di dati operativi per prevedere la capacità residua di una batteria e la sua traiettoria di degrado, proponendo un framework che supporta sia la manutenzione predittiva che una gestione energetica più sicura. L'integrazione della previsione del degrado basata sui dati con la classica combinazione di conteggio di Coulomb e tensione a circuito aperto (OCV) di riferimento è una direzione che probabilmente si diffonderà anche nella progettazione dei sistemi di gestione delle batterie (BMS) per il settore della robotica e dei droni, sempre più elettrificato.

Parametri che determinano le prestazioni

• Densità energetica (Wh/kg, Wh/L): determina direttamente il tempo di volo di un drone o l'autonomia di un robot terrestre autonomo con carico utile. Le batterie a stato solido puntano a superare i 300 Wh/kg, mentre gli attuali pacchi batteria agli ioni di litio di uso pratico si attestano intorno ai 160-260 Wh/kg: questo divario rappresenta esattamente il margine di progettazione per le piattaforme di prossima generazione.
• C-rate (capacità di scarica): determina se una cella può soddisfare le elevate richieste istantanee di corrente di motori e attuatori. Una cella con un alto C-rate come la P42A di Molicel (45 A, circa 10,7 C) è adatta ad applicazioni con grandi oscillazioni di carico, come il salto di un robot a gambe o la rapida accelerazione di un drone. Se si utilizza invece una cella ottimizzata per la densità energetica, il calo di tensione o il calore possono impedirle di erogare la sua potenza nominale.
• Durata del ciclo: un valore come i 400 cicli del DJI TB65 si traduce direttamente in costi operativi in base al numero di cicli di carica/scarica che il pacco batteria è in grado di sopportare. In contesti ad alto utilizzo come le operazioni quotidiane di droni commerciali, questo valore determina di fatto la frequenza di sostituzione e i costi di esercizio.
• Precisione del bilanciamento delle celle: la precisione con cui un BMS può monitorare la tensione delle celle, come nel caso dell'errore di misurazione inferiore a 1,2 mV dell'LTC6811-1, influenza sia la capacità effettiva del pacco batterie che la durata delle celle. Se non si rileva uno squilibrio crescente, una singola cella degradata finisce per limitare le prestazioni dell'intero pacco.
• Velocità di risposta del circuito di protezione e suoi limiti: la velocità con cui un BMS rileva sovracorrente o surriscaldamento e interrompe la corrente è direttamente correlata alla sicurezza, ma come dimostra il caso del Boeing 787, un BMS non ha il potere di arrestare una reazione a catena termica incontrollata una volta che questa è già iniziata all'interno di una cella. Il controllo qualità a livello di cella e la scelta di una chimica meno soggetta a instabilità termica (ad esempio, LiFePO4) devono integrare il circuito di protezione, non viceversa.
• Intervallo di temperatura di funzionamento: un valore come quello della Molicel P42A, compreso tra -40 °C e 60 °C, è importante per la reale disponibilità sul campo, poiché i droni e i robot utilizzati all'aperto necessitano di resistenza alla perdita di capacità e di potenza dovuta alle basse temperature. La funzione di autoriscaldamento della batteria di DJI è una soluzione proprio a questo problema.
• Capacità di ricarica rapida: le batterie di nuova generazione, dalle ASB di Samsung SDI all'obiettivo dichiarato di Toyota e Idemitsu Kosan di ricaricare dal 10% all'80% di SOC in meno di 10 minuti, considerano la riduzione dei tempi di ricarica un chiaro elemento di differenziazione. Per le operazioni commerciali con droni e robot di consegna, che puntano alla massima efficienza, il tempo di inattività durante la ricarica diventa un parametro di prestazione efficace.

Riferimenti

• Scheda tecnica Molicel INR21700-P42A
• Riepilogo delle specifiche Molicel P42A (Informazioni: Energia)
• Pagina del prodotto DJI TB65 Intelligent Flight Battery
• Specifiche Matrice 350 RTK (DJI Enterprise)
• Caratteristiche principali della Matrice 300 RTK, incl. ridondanza a doppia batteria (DJI Enterprise Insights)
• Pagina del prodotto Texas Instruments BQ76952
• Pagina del prodotto Analog Devices LTC6811-1
• Samsung SDI presenta una batteria a stato solido da 900 Wh/L (notizie ufficiali Samsung SDI)
• Samsung SDI prevede la produzione di massa di batterie a stato solido a partire dal 2027 (Battery-News)
• Toyota e Idemitsu Kosan collaborano alla produzione di massa di batterie a stato solido (notizia ufficiale Toyota)
• Tesla Densità energetica delle celle 2170 (InsideEVs)
• Premio Nobel per la Chimica 2019, Informazioni divulgative (sito ufficiale del Premio Nobel)
• Sito speciale di Akira Yoshino (sito ufficiale di Asahi Kasei)
• Dell annuncia il richiamo delle batterie per notebook a causa del rischio di incendio (sito ufficiale della CPSC)
• Incendio della batteria dell'unità di alimentazione ausiliaria, Boeing 787-8 JAL, rapporto di indagine JA829J (PDF ufficiale NTSB)
• NTSB cita una 'fuga termica' nell'incendio della batteria del Boeing 787 (Flying Magazine)
• [Un profondo Modello di apprendimento per la previsione dello stato della batteria verso una gestione energetica intelligente (arXiv:2605.00898) ( https://arxiv.org/abs/2605.00898 )