Batteria per veicoli elettrici

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Spaccato della Nissan Leaf che mostra parte della batteria

Una batteria per veicoli elettrici (EVB) o batteria da trazione è una batteria utilizzata per alimentare la propulsione dei veicoli elettrici a batteria (BEV). Le batterie dei veicoli sono generalmente batterie ricaricabili. Le batterie da trazione sono utilizzate in carrelli elevatori, golf cart elettrici, lavapavimenti, motocicli elettrici, auto elettriche, camion, furgoni e altri veicoli elettrici.

Le batterie dei veicoli elettrici differiscono dalle batterie di avviamento, illuminazione e accensione (SLI) perché sono progettate per fornire energia per periodi di tempo prolungati. Le batterie a ciclo profondo vengono utilizzate al posto delle batterie SLI per queste applicazioni. Le batterie di trazione devono essere progettate con una capacità di ampere-ora elevata. Le batterie per veicoli elettrici sono caratterizzate da un rapporto potenza-peso relativamente elevato, energia specifica e densità energetica: batterie più piccole e leggere riducono il peso del veicolo e ne migliorano le prestazioni. Rispetto ai carburanti liquidi, la maggior parte delle tecnologie di batteria attuali hanno un'energia specifica molto più bassa, e ciò influisce spesso sull'autonomia massima completamente elettrica dei veicoli. Tuttavia, le batterie metallo-aria hanno un'energia specifica elevata perché il catodo è fornito dall'ossigeno presente nell'aria. Le batterie ricaricabili utilizzate nei veicoli elettrici includono piombo-acido ("allagato", ciclo profondo e VRLA ), NiCd, idruro di nichel-metallo, ioni di litio, polimero di ioni di litio e, meno comunemente, zinco-aria e ai sali fusi. Il tipo di batteria più comune nelle moderne auto elettriche è la batteria agli ioni di litio e ai polimeri di litio, per via della loro elevata densità energetica rispetto al loro peso. La quantità di elettricità (cioè la carica elettrica) immagazzinata nelle batterie viene misurata in ampere-ora o in coulomb, con l'energia totale spesso misurata in wattora.

La batteria costituisce un costo importante dei veicoli elettrici, che a differenza delle auto a combustibile fossile, influisce pesantemente sul prezzo di listino. A partire dal 2018, le poche auto elettriche con oltre 500 km di autonomia come la Tesla Model S sono saldamente nel segmento del lusso. Dalla fine degli anni '90, i progressi nella tecnologia delle batterie sono stati sospinti dalle richieste di dispositivi elettronici portatili, come computer portatili e telefoni cellulari. Il mercato dei veicoli elettrici ha raccolto i benefici di questi progressi sia in termini di prestazioni, sia in termini di densità di energia. Le batterie possono essere scaricate e ricaricate ogni giorno. Secondo il presidente della Mitsubishi Osamu Masuko, il costo della batteria per la Mitsubishi i-MiEV è stato dimezzato tra il 2009 e il 2011. Il costo delle batterie per veicoli elettrici è stato ridotto di oltre il 35% dal 2008 al 2014.

Il mercato previsto per le batterie da trazione automobilistica è di oltre 37 miliardi di dollari nel 2020.

In termini di costi operativi, il prezzo dell'elettricità per far funzionare un veicolo elettrico è una piccola frazione del costo del carburante per motori a combustione interna equivalenti, ne consegue una maggiore efficienza energetica.

Tipi di batteria[modifica | modifica wikitesto]

Batteria al piombo convenzionale, sono ancora comunemente usate per la propulsione dei veicoli elettrici
Cella cilindrica (18650) prima dell'assemblaggio
Elettronica di monitoraggio di una batteria agli ioni di litio (protegge dal sovraccarico)

Piombo-acido[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Batteria piombo-acido.

Le batterie al piombo-acido sono le batterie da trazione più economiche e in passato più comunemente disponibili. Esistono due tipi principali di batterie al piombo-acido: batterie di avviamento per motori di automobili e batterie a ciclo profondo. Gli alternatori per automobili sono progettati per fornire alle batterie di avviamento alti valori di carica per poter effettuare ricariche veloci, mentre le batterie a ciclo profondo utilizzate per veicoli elettrici come carrelli elevatori o golf cart e come batterie ausiliarie nei camper, richiedono una ricarica multi-stadio.[1] Nessuna batteria al piombo acido deve essere scaricata al di sotto del 50% della sua capacità, poiché ciò ridurrebbe la durata della batteria. Le batterie ad acido libero richiedono l'ispezione del livello dell'elettrolita e la sostituzione occasionale dell'acqua che evapora durante il normale ciclo di ricarica.

Tradizionalmente, la maggior parte dei veicoli elettrici utilizzava batterie al piombo acido per via della loro tecnologia consolidata, dell'elevata disponibilità e del basso costo. Come tutte le batterie, hanno un impatto ambientale considerevole durante i processi di costruzione, uso e smaltimento o riciclaggio. Guardando il lato positivo, le percentuali di riciclaggio delle batterie dei veicoli sono superiori al 95% negli Stati Uniti. Le batterie al piombo a ciclo profondo sono costose e hanno una durata inferiore rispetto al veicolo stesso, che in genere necessita di una sostituzione ogni 3 anni.

Le batterie al piombo acido nelle applicazioni EV finiscono per essere una porzione significativa (25-50%) della massa finale del veicolo. Come tutte le batterie, hanno un'energia specifica significativamente inferiore rispetto ai carburanti a base di petrolio, in questo caso 30–40 Wh/kg. Nonostante la differenza di massa non sia così estrema come può sembrare grazie alla trasmissione più leggera in un veicolo elettrico, anche le batterie migliori tendono a portare a masse più elevate se applicate a veicoli comuni. L'efficienza (70–75%) e la capacità di stoccaggio dell'attuale generazione di batterie al piombo a ciclo profondo diminuiscono con temperature più basse e una deviazione dell'energia per far funzionare un sistema di riscaldamento ridurrebbe l'efficienza e l'autonomia fino al 40%. I recenti progressi in termini di efficienza della batteria, capacità, materiali, sicurezza, tossicità e durata possono consentire l'applicazione di questi sistemi nelle automobili elettriche.

La carica e il funzionamento delle batterie si traduce in genere nell'emissione di idrogeno, ossigeno e zolfo, che sono presenti in natura e sono normalmente innocui, se adeguatamente ventilati.

Nichel-metallo idruro[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Accumulatore nichel-metallo idruro.

Le batterie al nichel-metallo idruro sono ora considerate una tecnologia relativamente matura. Sebbene siano meno efficienti (60–70%) nella carica e nella scarica rispetto a quelle al piombo-acido, hanno un'energia specifica di 30–80 Wh/kg, molto più elevata di quella degli accumulatori al piombo. Se utilizzate correttamente, le batterie al nichel-metallo idruro possono avere una durata eccezionalmente lunga, come è stato dimostrato dal loro utilizzo in auto ibride che funzionano ancora bene dopo 160000 km e oltre un decennio di servizio. Gli aspetti negativi comprendono la scarsa efficienza, l'elevata autoscarica, i cicli di carica molto delicati e le scarse prestazioni nella stagione fredda.

Sodio-nichel cloruro[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Accumulatore ai sali fusi.

La batteria al sodio-nichel cloruro detta anche ZEBRA (acronimo di Zero Emission Battery Research Activities) utilizza il sodio cloroalluminato fuso (NaAlCl4) come elettrolita. Questa reazione chimica viene anche occasionalmente definita "sali fusi". Tecnologia relativamente matura, la batteria ZEBRA ha un'energia specifica di 120 Wh/kg e una ragionevole resistenza in serie. Poiché la batteria deve essere riscaldata per l'uso, la stagione fredda non influisce fortemente sul suo funzionamento se non per l'aumento dei costi di riscaldamento. Sono state utilizzate in diversi veicoli elettrici. Le ZEBRA possono durare per alcune migliaia di cicli di carica e non sono tossiche. Gli svantaggi della batteria ZEBRA includono una scarsa potenza in rapporto al peso ( <300 W/kg) e il requisito di dover riscaldare l'elettrolita a circa 270 °C, che spreca un po' di energia e presenta difficoltà a lungo termine di conservazione della carica.

Ioni di litio[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Accumulatore agli ioni di litio.
Un uomo che apre una batteria agli ioni di litio utilizzata in un veicolo elettrico

Le batterie agli ioni di litio (e ai polimeri simili ad esso), ampiamente conosciute per il loro uso nei computer portatili e nell'elettronica di consumo, sono le più utilizzate per i veicoli elettrici di ultima generazione. La reazione chimica tradizionale agli ioni di litio prevede un catodo di ossido di litio cobalto e un anodo di grafite. Ciò produce cellule con una notevole energia specifica di oltre 200 Wh/kg[2] ed un'elevata potenza specifica con un'efficienza di carica/scarica dall'80 al 90%. Il rovescio della medaglia delle batterie agli ioni di litio tradizionali comprende la breve durata del ciclo di vita (da centinaia a qualche migliaio di cicli di carica) e un significativo degrado con l'età. Anche il materiale catodico è alquanto tossico. Le tradizionali batterie agli ioni di litio sono esposte al rischio di incendio se forate o caricate in modo improprio.[3] Queste celle non accettano né forniscono carica quando sono estremamente fredde, e quindi un sistema di riscaldamento può essere necessario in presenza di climi particolarmente rigidi. La Tesla Roadster (2008) utilizzava gruppi di tradizionali "batterie per computer portatili" agli ioni di litio che possono essere sostituite individualmente secondo necessità.

I veicoli elettrici recenti utilizzano nuove varianti di accumulatori degli ioni di litio che sacrificano energia specifica e potenza specifica per fornire resistenza alle fiamme, rispetto dell'ambiente, ricarica rapida (in pochi minuti) e durata della vita più lunga. Queste varianti (fosfati, titanati, spinelli, ecc.) hanno dimostrato di avere una durata molto più lunga, con i tipi A123 che utilizzano litio ferro fosfato della durata di almeno 10 anni e più di 7000 cicli di carica/scarica,[4] in LG Chem si aspettano che le loro batterie agli spinelli al litio-manganese durino fino a 40 anni.

Nei laboratori viene svolto molto lavoro sulle batterie agli ioni di litio.[5] L'ossido di litio vanadio si è già fatto strada nel prototipo Subaru G4e, raddoppiando la densità di energia. Nanofili di silicio,[6][7] nanoparticelle di silicio,[8] e nanoparticelle di stagno[9][10] promettono più densità di energia nell'anodo, anche i catodi in materiale composito[11][12] e superlattice[13] promettono significativi miglioramenti della densità.

Esempi di veicoli e relativa capacità della batteria[modifica | modifica wikitesto]

Elettrici[modifica | modifica wikitesto]

Ibridi plug-in[modifica | modifica wikitesto]

Ibridi non plug-in[modifica | modifica wikitesto]

Costo della batteria[modifica | modifica wikitesto]

Curva di apprendimento delle batterie agli ioni di litio: il prezzo delle batterie è diminuito del 97% in tre decenni.
Prototipi da 50 Wh/kg di batteria agli ioni di litio-polimeri. Le celle agli ioni di litio più recenti possono fornire fino a 265 Wh/kg e durano per migliaia di cicli di carica.

Nel 2010, gli scienziati dell'università tecnica della Danimarca hanno pagato 10.000 dollari per una batteria EV certificata con una potenza di 25 kWh (cioè 400 $/kWh), senza sconti o supplementi.[15] Due produttori di batterie su 15 erano in grado di fornire la necessaria documentazione tecnica sulla qualità e la sicurezza in caso di incendio.[16] Si stimava che sarebbero passati al massimo 10 anni prima che il prezzo della batteria si abbassasse di un terzo.[15]

Stando ad uno studio del 2010, secondo il Consiglio Nazionale delle Ricerche degli Stati Uniti, il costo di una batteria agli ioni di litio era di circa 1700 dollari per kWh di energia utilizzabile, e considerando che un sistema PHEV-10 richiede circa 2 kWh e un PHEV-40 circa 8 kWh, il costo di produzione della batteria per un PHEV-10 è di circa 3.000 dollari e sale a 14.000 dollari per un PHEV-40.[17][18] Uno studio dell'American Council for an Energy-Efficient Economy del 2013 ha riportato che i costi delle batterie sono scesi da 1300 dollari/kWh nel 2007 a 500 dollari/kWh nel 2012. La riduzione dei costi grazie ai progressi della tecnologia delle batterie e ai maggiori volumi di produzione consentirà ai veicoli elettrici plug-in di essere più competitivi rispetto ai tradizionali veicoli con motore a combustione interna.[19] Nel 2016, il mondo aveva una capacità produttiva di 41,57 GWh.[20]

I costi effettivi delle celle sono oggetto di molti dibattiti e speculazioni, dato che la maggior parte dei produttori di veicoli elettrici si rifiutano di discutere in dettaglio riguardo a questo argomento. Secondo una classifica stilata nel 2019 da Reuters i primi sei costruttori al mondo di batterie in ordine di grandezza sono: CATL, Panasonic, BYD, LG Chem, Samsung Sdi, SK Innovation.[21]

Secondo uno studio pubblicato nel febbraio 2016 da Bloomberg, i prezzi delle batterie sono scesi del 65% dal 2010, e del 35% solo nel 2015, raggiungendo i 350 dollari/kWh. Lo studio conclude che l'andamento dei costi delle batterie renderà i veicoli elettrici accessibili quanto le auto con motore a combustione interna nella maggior parte dei paesi entro il 2022, senza sussidi governativi. Entro il 2040 le auto elettriche a lungo raggio costeranno meno di 22.000 dollari. I costi delle batterie delle auto elettriche saranno ben al di sotto dei 120 dollari per kWh entro il 2030, per poi scendere ulteriormente non appena saranno disponibili nuove sostanze chimiche.[22][23]

Confronto delle stime del costo della batteria
Tipo di batteria Anno Costo ($/kWh)
Ioni di litio 2016 130[24]-145[25]
Ioni di litio 2014 200–300[26]
Ioni di litio 2012 500–600[27]
Ioni di litio 2012 400[28]
Ioni di litio 2012 520-650[29]
Ioni di litio 2012 752[29]
Ioni di litio 2012 689[29]
Ioni di litio 2013 800–1000[30]
Ioni di litio 2010 750[31]
Nichel-metallo idruro 2004 750[32]
Nichel-metallo idruro 2013 500–550[30]
Nichel-metallo idruro 350[33]
Piombo-acido 256.68

[34]

Confronto delle stime di longevità della batteria
Battery type Anno Cicli Km Years
Ioni di litio 2016 >4000[34] 1.500.000[34] >10[35]
Ioni di litio 2008 150.000[36] 5[36]
Ioni di litio 2002 2-4[37]
Ioni di litio 1997 >1000[38]
Nichel-metallo idruro 2001 150.000[39] 4[39]
Nichel-metallo idruro 1999 >90.000[40]
Nichel-metallo idruro 300.000[33]
Nichel-metallo idruro 1999 1000[41] 150.000[41]
Nichel-metallo idruro 1995 <2000[42]
Nichel-metallo idruro 2002 2000[37]
Nichel-metallo idruro 1997 >1000[43]
Nichel-metallo idruro 1997 >1000[38]
Piombo-acido 1997 300–500[38] 3

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Harold Barre, Managing 12 Volts: How To Upgrade, Operate, and Troubleshoot 12 Volt Electrical Systenms, Summer Breeze Publishing, 1997, pp. 63–65, ISBN 978-0-9647386-1-4.(discussing damage caused by sulfation due to discharge below 50%)
  2. ^ 200 Wh/kg Barrier Falls. | Battery & EV Technology | Find Articles at BNET, Findarticles.com, 2 giugno 2009. URL consultato il 19 settembre 2009.
  3. ^ Lithium-Ion Batteries Hazard and Use Assessment (PDF), su nfpa.org. URL consultato il 7 settembre 2013.
  4. ^ A123 Inks Deal to Develop Battery Cells for GM Electric Car, su xconomy.com, 10 agosto 2007. URL consultato il 10 dicembre 2016.
  5. ^ Li-Ion Rechargeable Batteries Made Safer, in Nikkei Electronics Asia, February 2008. URL consultato il 19 agosto 2019 (archiviato dall'url originale il 12 settembre 2011).
  6. ^ Nanowire battery can hold 10 times the charge of existing lithium-ion battery, su news-service.stanford.edu, 9 gennaio 2008. URL consultato il 10 dicembre 2016.
  7. ^ Yi Cui, Inorganic Nanowires as Advanced Energy Conversion and Storage Materials (PDF), su gcep.stanford.edu, US, Stanford University. URL consultato il 31 marzo 2019.
  8. ^ Robert Jaques, Nanotech promises lithium ion battery boost, in vnunet.com, 14 aprile 2008. URL consultato il 3 ottobre 2013 (archiviato dall'url originale l'8 aprile 2009).
  9. ^ Using nanotechnology to improve Li-ion battery performance, su nanowerk.com. URL consultato il 10 dicembre 2016.
  10. ^ Wei-Ming Zhang, Jin-Song Hu, Yu-Guo Guo, Shu-Fa Zheng, Liang-Shu Zhong, Wei-Guo Song e Li-Jun Wan, Tin-Nanoparticles Encapsulated in Elastic Hollow Carbon Spheres for High-Performance Anode Material in Lithium-Ion Batteries - Zhang - 2008 - Advanced Materials - Wiley Online Library, in Advanced Materials, vol. 20, n. 6, 2008, pp. 1160–1165, DOI:10.1002/adma.200701364.
  11. ^ Argonne's lithium-ion battery technology to be commercialized by Japan's Toda Kogyo, su physorg.com. URL consultato il 10 dicembre 2016.
  12. ^ Christopher S. Johnson, Journal of Power Sources : Development and utility of manganese oxides as cathodes in lithium batteries, in Journal of Power Sources, vol. 165, n. 2, 2007, pp. 559–565, DOI:10.1016/j.jpowsour.2006.10.040. URL consultato il 12 febbraio 2010 (archiviato dall'url originale il 12 febbraio 2009).
  13. ^ Hybrid Develops New "Superlattice Structure" Lithium Battery Capable of Increasing Drive Ranges in Excess of 200 Miles, in Hybrid Technologies, US, 24 febbraio 2008 (archiviato dall'url originale il 2 marzo 2008).
  14. ^ Regera, su koenigsegg.com, Koenigsegg. URL consultato il 28 dicembre 2016.
  15. ^ a b (DA) Magnus Bredsdorff, Et batteri til en elbil koster 60.000 kroner [Electrical Vehicle battery costs $10,000], in Ingeniøren, 22 giugno 2010. URL consultato il 30 gennaio 2017.
  16. ^ (DA) Magnus Bredsdorff, EV batteries still prototypes, in Ingeniøren, Denmark, 22 giugno 2010. URL consultato il 22 giugno 2010 (archiviato dall'url originale il 25 giugno 2010).
  17. ^ National Research Council, Transitions to Alternative Transportation Technologies--Plug-in Hybrid Electric Vehicles, The National Academies Press, 2010, DOI:10.17226/12826, ISBN 978-0-309-14850-4. URL consultato il 3 marzo 2010 (archiviato dall'url originale il 7 giugno 2011).
  18. ^ Jad Mouawad and Kate Galbraith, Study Says Big Impact of the Plug-In Hybrid Will Be Decades Away, in New York Times, 14 dicembre 2009. URL consultato il 4 marzo 2010.
  19. ^ Siddiq Khan and Martin Kushler, Plug-in Electric Vehicles: Challenges and Opportunities (PDF), su aceee.org, American Council for an Energy-Efficient Economy, June 2013. URL consultato il 9 luglio 2013. ACEEE Report Number T133.
  20. ^ Nick Gibbs, Automakers hunt for battery cell capacity to deliver on bullish EV targets, in Automotive News, 2 gennaio 2017. URL consultato il 9 gennaio 2017 (archiviato il 9 gennaio 2017).
  21. ^ Auto elettriche: il costo delle batterie scende ancora, su La Gazzetta dello Sport - Tutto il rosa della vita. URL consultato il 17 dicembre 2019.
  22. ^ Tom Randall, Here's How Electric Cars Will Cause the Next Oil Crisis, in Bloomberg News, 25 febbraio 2016. URL consultato il 26 febbraio 2016. See embedded video.
  23. ^ Bloomberg New Energy Finance, Here's How Electric Cars Will Cause the Next Oil Crisis, su prnewswire.com, London and New York, PR Newswire, 25 febbraio 2016. URL consultato il 26 febbraio 2016.
  24. ^ (NO) Per Erlien Dalløkken, Her produseres elbilen og bensinbilen på samme linje [Electric car and petrol truck produced on the same line], in Teknisk Ukeblad, Norway, 23 dicembre 2016. URL consultato il 16 agosto 2018.
  25. ^ Jeff Cobb, Chevy Bolt Production Confirmed For 2016, in Hybrid cars, 2 ottobre 2015. URL consultato il 14 dicembre 2015.
  26. ^ Tesla to Miss 2020 Delivery Target by 40%, Analyst Forecasts, su greentechmedia.com. URL consultato il 28 gennaio 2015.
    «Tesla’s current batteries cost $200-$300 per kilowatt hour.».
  27. ^ Battery technology charges ahead | McKinsey & Company, su mckinsey.com. URL consultato il 1º febbraio 2014 (archiviato dall'url originale il 22 gennaio 2014).
  28. ^ Lithium-ion battery costs will still be about $400/kW⋅h by 2020, su green.autoblog.com. URL consultato il 1º febbraio 2014.
  29. ^ a b c McKinsey: Lithium Ion Battery Prices to Reach $200/kW⋅h by 2020 | PluginCars.com, su plugincars.com. URL consultato il 1º febbraio 2014.
  30. ^ a b Tesla Debacle Highlights Need For New EV Battery Technology - Forbes, su forbes.com. URL consultato il 1º febbraio 2014.
  31. ^ WSJ: Nissan Leaf profitable by year three; battery cost closer to $18,000, su green.autoblog.com. URL consultato il 1º febbraio 2014.
  32. ^ Menahem Anderman, Brief Assessment of Improvements in EV BatteryTechnology since the BTAP June 2000 Report (PDF), su arb.ca.gov, California Air Resources Board, 2003. URL consultato il 16 agosto 2018 (archiviato dall'url originale il 4 marzo 2016).
  33. ^ a b GM, Chevron and CARB killed the NiMH EV once, will do so again, su ev1.org. URL consultato il 1º febbraio 2014.
  34. ^ a b c (DE) Elektroautos von BYD: FENECON startet Verkauf des e6, in SonneWind&Wärme, 11 febbraio 2016. URL consultato il 14 dicembre 2016.
  35. ^ 10 years guaranty for battery, in byd-auto.net (archiviato dall'url originale il 6 febbraio 2016).
  36. ^ a b HowStuffWorks "Lithium-ion Battery Cost and Longevity", su auto.howstuffworks.com. URL consultato il 1º febbraio 2014.
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  43. ^ Patent: Template:US Patent

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