In che modo la temperatura influisce sulla scelta delle batterie solari agli ioni di litio?

Batterie solari agli ioni di litio sono utilizzati principalmente nel settore residenziale e per lo stoccaggio di energia commerciale e industriale, aiutando i proprietari di case o le aziende ad espandere il loro utilizzo del fotovoltaico (PV), a risparmiare sulle bollette elettriche o a fornire energia di riserva in caso di interruzione della rete. Man mano che i prezzi dei materiali diminuiscono e le batterie al litio diventano più popolari, le batterie agli ioni di litio stanno sostituendo quelle al piombo nel mercato dello stoccaggio dell’energia solare.

Due tipi di ioni di litio utilizzati nelle batterie solari al litio

Per i produttori di batterie solari agli ioni di litio, vengono generalmente utilizzati due tipi comuni di batterie agli ioni di litio: batterie ternarie agli ioni di litio (NMC) al litio-nichel-manganese-cobalto e batterie al litio ferro fosfato (LFP), che sono i principali attori nel settore. mercato. Sebbene entrambi i tipi di batterie si basino sul principio di funzionamento dello scambio di ioni di litio, hanno prestazioni e caratteristiche significativamente diverse.

La densità energetica è un indicatore importante per valutare le prestazioni della batteria. In generale, maggiore è la densità di energia, maggiore è la potenza che la batteria può contenere per unità di peso o volume e maggiore è l’autonomia. il LFP ha una densità energetica di circa 140 Wh/kg. l'NMC ha una densità energetica tendenzialmente pari a 240 kWh/kg. vale a dire, a parità di peso, la densità energetica dell'NMC è 1,7 volte superiore a quella dell'LFP. Ciò significa che una batteria solare NMC installata nello stesso spazio funzionerà più a lungo di una batteria solare LFP.

Tre fattori principali influenzano la durata operativa delle batterie solari agli ioni di litio: il numero di cicli di carica/scarica, la durata di utilizzo e la temperatura media della batteria. Il fattore più importante che influenza la durata di una batteria agli ioni di litio è la temperatura media della batteria, seguita dalla profondità di scarica. Solitamente misuriamo l'efficacia di una batteria confrontando la sua capacità effettiva con la capacità originale. Prima di raggiungere l'80% della loro capacità originale, le batterie solari LFP possono eseguire almeno da 2.000 a 3.000 cicli di carica/scarica completi, mentre le batterie NMC possono eseguire solo da 500 a 1.000 cicli di carica/scarica completi, il che significa che Batterie solari LFP hanno un ciclo di vita molto più lungo, in genere più di 10 anni.

Sicurezza delle batterie agli ioni di litio

A differenza delle batterie NMC, le batterie LFP non si degradano alle alte temperature grazie al materiale del catodo più sicuro. Rispetto alle batterie NMC, le batterie LFP offrono la massima stabilità termica e chimica, nonché la minima quantità di energia rilasciata durante la fuga termica. Andranno in fuga termica solo a 195°C e rilasceranno la minima quantità di energia. Al contrario, le batterie NMC possono raggiungere temperature di fuga termica di 170°C, rilasciando più energia e rischiando di incendiarsi se non controllate. Nonostante tutte le batterie agli ioni di litio siano sicure, le batterie solari LFP sono tra i dispositivi di accumulo di energia più sicuri disponibili.

Temperatura e scarico

A seconda dell'applicazione dello stoccaggio energetico residenziale, esistono due usi comuni delle batterie solari agli ioni di litio. Il primo è come fonte di alimentazione di backup, dove l’esigenza di mantenere in funzione i carichi critici durante un’interruzione della rete richiede il passaggio immediato all’energia della batteria solare, nel qual caso la batteria di accumulo deve resistere a correnti elevate e sbalzi di potenza elevati dal carico. Il secondo scenario è quello di immagazzinare energia dai pannelli fotovoltaici o dalla rete durante il giorno e poi scaricarla sul carico durante la notte, il che di solito richiede che la batteria sia in grado di fornire energia per almeno 6-8 ore.

Le batterie Li-FePO4 hanno una resistenza interna molto bassa e possono sopportare velocità di scarica elevate senza generare troppo calore, ma le batterie NMC hanno una resistenza interna che è circa 10 volte superiore a quella delle batterie LFP, quindi viene generato più calore all'interno della NMC batterie quando si scaricano alla stessa velocità. Ad esempio, una batteria NMC da 48 V 50 Ah (2,4 kWh) può fornire una corrente di scarica di 50-100 A, mentre una LFP può fornire una corrente di scarica di 500-1000 A.

Raffreddamento passivo o attivo

Il terzo fattore che influenza la durata di una batteria agli ioni di litio è la temperatura ambiente. Nelle applicazioni di mercato per le batterie agli ioni di litio, le batterie vengono raffreddate in vari modi, dal raffreddamento passivo (senza ventola) al raffreddamento attivo (ventola a funzionamento continuo) al raffreddamento attivo dinamico (azionamento della ventola a velocità variabile) per gestire la temperatura della batteria. Mentre lo stoccaggio dell’energia residenziale utilizza tipicamente il raffreddamento passivo, le batterie agli ioni di litio possono funzionare in sicurezza da -20°C a 60°C, ma l’intervallo di temperatura ottimale per massimizzare la durata della batteria è compreso tra 10°C e 30°C. Le scariche ad alta corrente generano calore all'interno della batteria, ma un ambiente a temperatura stabile può massimizzare la durata della batteria.

È importante notare che, a causa della chimica e della maggiore impedenza, le batterie NMC generano più calore quando sono scariche rispetto alle batterie LFP. Poiché la sicurezza è una questione fondamentale per le batterie agli ioni di litio accumulo di energia applicazioni, la buona stabilità termica delle batterie solari LFP è stata sicura ed ecologica per dare loro un vantaggio nelle applicazioni di accumulo di energia.

Pertanto, per garantire un'erogazione di potenza sufficiente al carico, nell'applicazione reale potrebbe essere necessario collegare in parallelo più moduli batteria NMC per soddisfare la corrente richiesta, ma un numero limitato di batterie LFP può raggiungere questo obiettivo. Considerando lo spazio e gli scenari applicativi, le batterie NMC sono più adatte per applicazioni che possono sopportare un trasferimento di corrente inferiore per un periodo di scarica più lungo (ad esempio 1 ora e 50 A), mentre le batterie LFP possono anche fornire un trasferimento di corrente più elevato per un periodo di tempo più breve (ad esempio 300 A in 10 minuti ).

Vantaggi del raffreddamento attivo

In generale, aggiungere una ventola a una batteria per la regolazione termica può complicare il prodotto, ma ciò può portare moltissimi vantaggi alla batteria. In alcune applicazioni con ambienti meteorologici difficili, la temperatura delle batterie può variare da molto fredda e secca a molto calda e umida. In caso di fuga termica, la temperatura all'interno della batteria con raffreddamento passivo aumenta più velocemente che all'esterno, creando punti caldi e limitando la quantità di corrente di scarica disponibile, che può anche causare un rapido invecchiamento delle batterie solari agli ioni di litio. Il raffreddamento attivo può ridurre al minimo la generazione di calore durante la carica e la scarica della batteria. A parità di condizioni, il raffreddamento attivo può supportare migliori correnti di carica e scarica per le batterie solari.

La struttura interna della batteria contiene più metalli, che possono anche causare cortocircuiti dovuti alla condensa. A causa delle differenze di temperatura, l'aria umida può condensare acqua sui componenti elettronici sensibili all'interno della batteria. Pertanto il raffreddamento attivo impedisce anche che la condensa all'interno della batteria alteri il funzionamento della batteria o danneggi i componenti della batteria. Nel mercato dello stoccaggio dell’energia commerciale e industriale, dove l’investimento iniziale è più elevato, i produttori solitamente utilizzano il raffreddamento ad aria o a liquido per il raffreddamento attivo per prevenire la perdita economica e l’inquinamento ambientale causati dall’instabilità termica.

In sintesi, ci sono molte batterie solari agli ioni di litio sul mercato. Prima di scegliere il giusto produttore di batterie solari o modello, è necessario conoscere la potenza di queste batterie per valutare la potenza richiesta per mantenere il funzionamento nel suo accumulo di energia residenziale o commerciale e industriale, l'autonomia richiesta, per determinare l'ambiente in cui verrà utilizzato, nonché per determinare il ruolo del calore. Con questi dati è possibile valutare la chimica della batteria solare agli ioni di litio, le caratteristiche di raffreddamento attivo e passivo e le caratteristiche chiave offerte dalle soluzioni disponibili.