Le batterie al litio si distinguono dalle altre sostanze chimiche per batterie grazie alla loro elevata densità di energia e al basso costo per ciclo. Tuttavia, "batteria al litio" è un termine ambiguo. Esistono circa sei chimiche comuni delle batterie al litio, tutte con vantaggi e svantaggi unici. Per le applicazioni di energia rinnovabile, la chimica predominante è il litio ferro fosfato (LiFePO4). Questa chimica ha un'eccellente sicurezza, con grande stabilità termica, elevati valori di corrente, lunga durata 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 altre sostanze chimiche del 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, il lungo ciclo di vita e la tolleranza agli abusi. Le batterie LiFePO4 non sono soggette a surriscaldamento, né sono disposte a "fuga termica" e quindi non si surriscaldano o si accendono se sottoposte a rigorose manipolazioni o condizioni ambientali difficili.
A differenza del piombo acido allagato e di altri prodotti chimici delle batterie, le batterie al litio non scaricano gas pericolosi come l'idrogeno e l'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 progettato correttamente non dovrebbe richiedere raffreddamento o ventilazione attiva.
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 delle batterie al litio hanno una tensione nominale di 3,2 V. Pertanto, per ottenere una batteria da 12V avrai in genere quattro celle collegate in serie. Questo renderà la tensione nominale di una LiFePO4 12,8 V. Otto celle collegate in serie formano una batteria da 24 V con una tensione nominale di 25,6 V e sedici celle collegate in serie formano una batteria da 48 V con una tensione nominale di 51,2 V. Queste tensioni funzionano molto bene con i tipici inverter 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 batteria LiFePO4 a quattro celle (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 massima tensione di carica, non è più necessario caricarla. Anche le caratteristiche di scarica delle batterie LiFePO4 sono uniche. Durante la scarica, le batterie al litio manterranno un voltaggio molto più alto rispetto a quello che le batterie al piombo normalmente avrebbero sotto carico. Non è raro che una batteria al litio scenda solo di pochi decimi di volt da una carica completa al 75% di scarica. Ciò può rendere difficile stabilire quanta capacità è stata utilizzata senza apparecchiature di monitoraggio della batteria.
Un vantaggio significativo del litio rispetto alle batterie al piombo-acido è che non soffrono di cicli di deficit. In sostanza, questo è quando le batterie non possono essere caricate completamente prima di essere scaricate di nuovo il giorno successivo. Questo è un grosso problema con le batterie al piombo-acido e può favorire un significativo degrado delle piastre se ripetutamente ciclate in questo modo. Batterie LiFePO4 non è necessario caricarli completamente regolarmente. In effetti, è possibile migliorare leggermente l'aspettativa di vita complessiva con una leggera carica parziale invece di una carica completa.
L'efficienza è un fattore molto importante nella progettazione di sistemi elettrici solari. L'efficienza di andata e ritorno (da pieno a morto e di nuovo a pieno) della batteria al piombo acido media è di circa l'80%. Altre 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 è un miglioramento significativo per i sistemi affamati di energia solare durante l'inverno, il risparmio di carburante dalla ricarica del generatore può essere enorme. Lo stadio di carica ad assorbimento delle batterie al piombo è particolarmente inefficiente, con conseguenti efficienze del 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 appena due ore. È anche importante notare che una batteria al litio può subire una scarica quasi completa come classificato senza effetti negativi significativi. Tuttavia, è importante assicurarsi che le singole cellule non si scarichino eccessivamente. Questo è il compito del sistema integrato 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 sistema di gestione della batteria (BMS) integrato. Il BMS è un sistema che monitora, valuta, bilancia e protegge le celle dall'operare al di fuori della "Area operativa sicura". Il BMS è un componente di sicurezza essenziale di un sistema di batterie al litio, che monitora e protegge le celle all'interno della batteria da sovracorrente, sottotensione / sovratensione, sotto / sovratemperatura e altro ancora. Una cella LiFePO4 verrà danneggiata in modo permanente se la tensione della cella scende a meno di 2,5 V, ma sarà anche danneggiata in modo permanente se la tensione della cella aumenta a più di 4,2 V. Il BMS monitora ogni cella e previene i danni alle celle in caso di sottotensione / sovratensione.
Un'altra responsabilità essenziale del BMS è bilanciare il pacco durante la carica, garantendo che tutte le celle ricevano una carica completa senza sovraccaricare. Le celle di una batteria LiFePO4 non si bilanciano automaticamente alla fine del ciclo di carica. Ci sono lievi variazioni di impedenza attraverso le celle e quindi nessuna cella è identica al 100%. Pertanto, durante il ciclo, alcune celle saranno completamente caricate o scaricate prima di altre. La varianza tra le celle aumenterà in modo significativo nel tempo se le celle non sono bilanciate.
Nelle batterie al piombo acido, la corrente continuerà a fluire anche quando una o più celle sono completamente cariche. Questo è il risultato dell'elettrolisi che avviene all'interno della batteria, l'acqua che si divide in idrogeno e ossigeno. Questa corrente aiuta a caricare completamente altre celle, bilanciando così naturalmente la carica su tutte le celle. Tuttavia, una cella al litio completamente carica avrà una resistenza molto elevata e fluirà pochissima corrente. Le celle in ritardo non saranno quindi completamente caricate. Durante il bilanciamento il BMS applicherà un piccolo carico alle celle completamente cariche, impedendogli di sovraccaricarsi e consentendo alle altre celle di recuperare.
Le batterie al litio offrono molti vantaggi rispetto ad altre sostanze chimiche delle batterie. Sono una soluzione di batteria sicura e affidabile, senza timore di fuga termica e / o fusione catastrofica, che è una possibilità significativa da altri tipi di batterie al litio. Queste batterie offrono un ciclo di vita estremamente lungo, con alcuni produttori che garantiscono anche batterie fino a 10.000 cicli. Con tassi di scarica e ricarica elevati fino a C / 2 continui e un'efficienza di andata e ritorno fino al 98%, non c'è da meravigliarsi che queste batterie stiano guadagnando terreno nel settore. Il litio ferro fosfato (LiFePO4) è una soluzione perfetta per l'accumulo di energia.
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