Cos'è la tecnologia delle batterie al litio?

Le batterie al litio si distinguono dalle altre batterie chimiche per la loro elevata densità di energia e il basso costo per ciclo. Tuttavia, “batteria al litio” è un termine ambiguo. Esistono circa sei caratteristiche chimiche comuni delle batterie al litio, tutte con i propri vantaggi e svantaggi unici. Per le applicazioni di energia rinnovabile, la chimica predominante è Litio Ferro Fosfato (LiFePO4) . Questa sostanza chimica ha un'eccellente sicurezza, con grande stabilità termica, valori di corrente elevati, ciclo di vita lungo e tolleranza agli abusi.

Litio Ferro Fosfato (LiFePO4) è una chimica del litio estremamente stabile rispetto a quasi tutte le altre sostanze chimiche del litio. La batteria è assemblata con un materiale catodico naturalmente sicuro (fosfato di ferro). Rispetto ad altri prodotti chimici al litio, il fosfato di ferro promuove un forte legame molecolare, che resiste a condizioni di carica estreme, prolunga la durata del ciclo e mantiene l'integrità chimica per molti cicli. Questo è ciò che conferisce a queste batterie la loro grande stabilità termica, lunga durata e tolleranza agli abusi. batterie LiFePO4 non sono soggetti a surriscaldamento, né sono soggetti a 'fuga termica', e pertanto non si surriscaldano né si incendiano se sottoposti a una manipolazione rigorosa o a condizioni ambientali difficili.

A differenza delle batterie al piombo acido e di altri prodotti chimici, le batterie al litio non emettono gas pericolosi come idrogeno e ossigeno. Inoltre, non c'è pericolo di esposizione a elettroliti caustici come acido solforico o idrossido di potassio. Nella maggior parte dei casi, queste batterie possono essere conservate in aree ristrette senza il rischio di esplosione e un sistema adeguatamente progettato non dovrebbe richiedere un raffreddamento o uno sfiato attivo.

Le batterie al litio sono un insieme composto da molte celle, come le batterie al piombo e molti altri tipi di batterie. Le batterie al piombo hanno una tensione nominale di 2 V/cella, mentre le celle della batteria al litio hanno una tensione nominale di 3,2 V. Pertanto, per ottenere una batteria da 12 V, in genere avrai quattro celle collegate in serie. Ciò renderà la tensione nominale di a LiFePO4 12,8 V . Otto celle collegate in serie formano a Batteria da 24 V con una tensione nominale di 25,6V e sedici celle collegate in serie formano a Batteria da 48 V con una tensione nominale di 51,2V. Queste tensioni funzionano molto bene con quelle tipiche Invertitori da 12V, 24V e 48V .

Le batterie al litio vengono spesso utilizzate per sostituire direttamente le batterie al piombo perché hanno tensioni di carica molto simili. Una quattro celle Batteria LiFePO4 (12,8 V), avrà in genere una tensione di carica massima compresa tra 14,4 e 14,6 V (a seconda delle raccomandazioni del produttore). La particolarità di una batteria al litio è che non necessita di una carica di assorbimento o di essere mantenuta in uno stato di tensione costante per periodi di tempo significativi. In genere, quando la batteria raggiunge la tensione di carica massima non è più necessario caricarla. Anche le caratteristiche di scarica delle batterie LiFePO4 sono uniche. Durante la scarica, le batterie al litio manterranno una tensione molto più elevata rispetto a quella che normalmente manterrebbero le batterie al piombo sotto carico. Non è raro che una batteria al litio scenda solo di pochi decimi di volt da una carica completa a una scarica al 75%. Ciò può rendere difficile stabilire quanta capacità è stata utilizzata senza apparecchiature di monitoraggio della batteria.

Un vantaggio significativo delle batterie al litio rispetto alle batterie al piombo è che non soffrono di cicli di deficit. In sostanza, questo accade quando le batterie non possono essere completamente caricate prima di essere nuovamente scaricate il giorno successivo. Questo è un grosso problema con le batterie al piombo-acido e può favorire un significativo degrado delle piastre se sottoposto a cicli ripetuti in questo modo. Le batterie LiFePO4 non necessitano di essere caricate completamente regolarmente. Infatti, è possibile migliorare leggermente l'aspettativa di vita complessiva con una leggera carica parziale anziché completa.

L’efficienza è un fattore molto importante quando si progettano sistemi elettrici solari. L'efficienza di andata e ritorno (da carica a scarica e di nuovo a carica completa) di una batteria al piombo media è di circa l'80%. Altre sostanze chimiche possono essere anche peggiori. L'efficienza energetica di andata e ritorno di una batteria al litio ferro fosfato è superiore al 95-98%. Questo da solo rappresenta un miglioramento significativo per i sistemi affamati di energia solare durante l'inverno, il risparmio di carburante derivante dalla ricarica del generatore può essere enorme. La fase di carica ad assorbimento delle batterie al piombo-acido è particolarmente inefficiente, risultando in efficienze pari al 50% o anche meno. Considerando che le batterie al litio non assorbono la carica, il tempo di ricarica da completamente scariche a completamente piene può essere di sole due ore. È anche importante notare che una batteria al litio può subire una scarica quasi completa come previsto senza effetti negativi significativi. È tuttavia importante assicurarsi che le singole celle non si scarichino eccessivamente. Questo è il compito degli integrati Sistema di gestione della batteria (BMS) .

La sicurezza e l'affidabilità delle batterie al litio sono una grande preoccupazione, quindi tutti i gruppi dovrebbero avere un integrato Sistema di gestione della batteria (BMS) . Il BMS è un sistema che monitora, valuta, bilancia e protegge le cellule dall’operare al di fuori dell’“area operativa sicura”. Il BMS è un componente di sicurezza essenziale di un sistema di batterie al litio, poiché monitora e protegge le celle all'interno della batteria da sovracorrente, sotto/sovratensione, sotto/sovratemperatura e altro ancora. Una cella LiFePO4 verrà danneggiata in modo permanente se la tensione della cella scende al di sotto di 2,5 V, inoltre verrà danneggiata in modo permanente se la tensione della cella aumenta a più di 4,2 V. Il BMS monitora ciascuna cella e previene danni alle celle in caso di sotto/sovratensione.

Un'altra responsabilità essenziale del BMS è bilanciare il pacco durante la ricarica, garantendo che tutte le celle ricevano una carica completa senza sovraccaricarsi. Le celle di una batteria LiFePO4 non si bilanciano automaticamente alla fine del ciclo di carica. Ci sono leggere variazioni nell'impedenza attraverso le celle e quindi nessuna cella è identica al 100%. Pertanto, durante il ciclo, alcune celle verranno completamente caricate o scaricate prima di altre. La varianza tra le celle aumenterà in modo significativo nel tempo se le celle non sono bilanciate.

In batterie al piombo , la corrente continuerà a fluire anche quando una o più celle sono completamente cariche. Questo è il risultato di l'elettrolisi avviene all'interno della batteria, l'acqua si divide in idrogeno e ossigeno. Questa corrente aiuta a caricare completamente le altre celle, bilanciando così naturalmente la carica su tutte le celle. Tuttavia, una cella al litio completamente carica avrà una resistenza molto elevata e scorrerà pochissima corrente. Le celle in ritardo quindi non saranno completamente cariche. Durante il bilanciamento, il BMS applicherà un piccolo carico alle celle completamente cariche, impedendo loro di sovraccaricarsi e consentendo alle altre celle di recuperare.

Le batterie al litio offrono molti vantaggi rispetto ad altri prodotti chimici per batterie. Costituiscono una soluzione di batteria sicura e affidabile, senza timore di fuoriuscita termica e/o fusione catastrofica, che è una possibilità significativa per altri tipi di batterie al litio. Queste batterie offrono una durata del ciclo estremamente lunga, con alcuni produttori che garantiscono batterie fino a 10.000 cicli. Con velocità di scarica e ricarica elevate fino a C/2 continue e un'efficienza di andata e ritorno fino al 98%, non c'è da meravigliarsi che queste batterie stiano guadagnando terreno nel settore. Litio Ferro Fosfato (LiFePO4) è perfetto soluzione di accumulo di energia .