Principio e definizioni

2020-08-11 08:07

Capacità ed energia di una batteria o di un sistema di accumulo

La capacità di una batteria o di un accumulatore è la quantità di energia immagazzinata in base alla temperatura specifica, al valore della corrente di carica e scarica e al tempo di carica o scarica.

Capacità di valutazione e tasso C.

La velocità C viene utilizzata per scalare la corrente di carica e scarica di una batteria. Per una data capacità, il tasso C è una misura che indica a quale corrente viene caricata una batteria e scaricato per raggiungere la sua capacità definita. 

Una carica di 1C (o C / 1) carica una batteria che ha una capacità nominale, diciamo, di 1000 Ah a 1000 A durante un'ora, quindi alla fine dell'ora la batteria raggiunge una capacità di 1000 Ah; una scarica di 1C (o C / 1) scarica la batteria alla stessa velocità.
Una carica di 0,5 ° C o (C / 2) carica una batteria con una capacità nominale di, diciamo, 1000 Ah a 500 A, quindi ci vogliono due ore per caricare la batteria alla capacità nominale di 1000 Ah;
Una carica 2C carica una batteria con una capacità nominale di, diciamo, 1000 Ah a 2000 A, quindi occorrono teoricamente 30 minuti per caricare la batteria alla capacità nominale di 1000 Ah;
Il valore Ah è normalmente indicato sulla batteria.
Ultimo esempio, una batteria al piombo con una capacità nominale C10 (o C / 10) di 3000 Ah dovrebbe essere caricata o scaricata in 10 ore con una corrente di carica o scarica di 300 A.

Perché è importante conoscere la frequenza C o la classificazione C di una batteria

Il tasso C è un dato importante per una batteria perché per la maggior parte delle batterie l'energia immagazzinata o disponibile dipende dalla velocità della corrente di carica o scarica. Generalmente, per una data capacità si avrà meno energia se si scarica in un'ora rispetto a se si scarica in 20 ore, al contrario si accumulerà meno energia in una batteria con una carica di 100 A durante 1 h rispetto a una carica di corrente di 10 A durante 10 h.

Formula per calcolare la corrente disponibile in uscita dal sistema di batterie

Come calcolare la corrente di uscita, la potenza e l'energia di una batteria in base al tasso C?
La formula più semplice è:

I = Cr * Er
o
Cr = I / Er
Dove
Er = energia nominale immagazzinata in Ah (capacità nominale della batteria data dal produttore)
I = corrente di carica o scarica in Ampere (A)
Cr = tasso C della batteria
L'equazione per ottenere il tempo di carica o carica o scarica "t" in base alla capacità corrente e nominale è:
t = Er / I
t = tempo, durata della carica o scarica (autonomia) in ore
Relazione tra Cr et:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Come funzionano le batterie agli ioni di litio

Batterie agli ioni di litio sono incredibilmente popolari in questi giorni. Li puoi trovare su laptop, PDA, telefoni cellulari e iPod. Sono così comuni perché, libbra per libbra, sono alcune delle batterie ricaricabili più energiche disponibili.

Anche le batterie agli ioni di litio hanno fatto notizia di recente. Questo perché queste batterie hanno la capacità di scoppiare occasionalmente in fiamme. Non è molto comune: solo due o tre pacchi batteria per milione hanno un problema, ma quando accade, è estremo. In alcune situazioni, il tasso di guasto può aumentare e quando ciò accade si finisce con un richiamo della batteria in tutto il mondo che può costare ai produttori milioni di dollari.

Quindi la domanda è: cosa rende queste batterie così energiche e così popolari? Come prendono fuoco? E c'è qualcosa che puoi fare per prevenire il problema o far durare più a lungo le tue batterie? In questo articolo risponderemo a queste e ad altre domande.

Le batterie agli ioni di litio sono popolari perché hanno una serie di importanti vantaggi rispetto alle tecnologie concorrenti:

• Sono generalmente molto più leggere di altri tipi di batterie ricaricabili della stessa dimensione. Gli elettrodi di una batteria agli ioni di litio sono realizzati in litio leggero e carbonio. Il litio è anche un elemento altamente reattivo, il che significa che molta energia può essere immagazzinata nei suoi legami atomici. Ciò si traduce in una densità energetica molto elevata per le batterie agli ioni di litio. Ecco un modo per avere una prospettiva sulla densità di energia. Una tipica batteria agli ioni di litio può immagazzinare 150 wattora di elettricità in 1 chilogrammo di batteria. Un pacco batteria NiMH (nichel-metallo idruro) può immagazzinare forse 100 wattora per chilogrammo, anche se da 60 a 70 wattora potrebbero essere più tipici. Una batteria al piombo può immagazzinare solo 25 wattora per chilogrammo. Utilizzando la tecnologia al piombo, sono necessari 6 chilogrammi per immagazzinare la stessa quantità di energia che una batteria agli ioni di litio da 1 chilogrammo può gestire. Questa è un'enorme differenza
• Mantengono la loro carica. Una batteria agli ioni di litio perde solo il 5% circa della sua carica al mese, rispetto a una perdita del 20% al mese per le batterie NiMH.
• Non hanno effetto memoria, il che significa che non è necessario scaricarli completamente prima di ricaricarli, come con alcune altre sostanze chimiche della batteria.
• Le batterie agli ioni di litio possono gestire centinaia di cicli di carica / scarica.

Questo non vuol dire che le batterie agli ioni di litio siano impeccabili. Hanno anche alcuni svantaggi:

• Cominciano a degradarsi non appena lasciano la fabbrica. Dureranno solo due o tre anni dalla data di produzione, indipendentemente dal fatto che vengano utilizzati o meno.
• Sono estremamente sensibili alle alte temperature. Il calore fa sì che i pacchi batteria agli ioni di litio si degradino molto più rapidamente del normale.
• Se scarichi completamente una batteria agli ioni di litio, si rovina.
• Un pacco batteria agli ioni di litio deve avere un computer di bordo per gestire la batteria. Questo li rende ancora più costosi di quanto non siano già.
• C'è una piccola possibilità che, se una batteria agli ioni di litio si guasta, prenda fuoco.

Molte di queste caratteristiche possono essere comprese osservando la chimica all'interno di una cella agli ioni di litio. Vedremo questo dopo.

I pacchi batteria agli ioni di litio sono disponibili in tutte le forme e dimensioni, ma all'interno sembrano tutti uguali. Se dovessi smontare una batteria per laptop (cosa che NON consigliamo a causa della possibilità di cortocircuitare una batteria e innescare un incendio) troverai quanto segue:

• Le celle agli ioni di litio possono essere batterie cilindriche che sembrano quasi identiche alle celle AA, oppure possono essere prismatiche, il che significa che sono quadrate o rettangolari Il computer, che comprende:
• Uno o più sensori di temperatura per monitorare la temperatura della batteria
• Un convertitore di tensione e un circuito regolatore per mantenere livelli sicuri di tensione e corrente
• Un connettore per notebook schermato che consente il flusso di alimentazione e informazioni all'interno e all'esterno della batteria
• Una presa di tensione, che monitora la capacità energetica delle singole celle nel pacco batteria
• Un monitor dello stato di carica della batteria, che è un piccolo computer che gestisce l'intero processo di ricarica per assicurarsi che le batterie si ricarichino il più rapidamente e completamente possibile.

Se la batteria si surriscalda durante la ricarica o l'uso, il computer interrompe il flusso di corrente per cercare di raffreddare il dispositivo. Se lasci il tuo laptop in un'auto estremamente calda e provi a usare il laptop, questo computer potrebbe impedirti di accenderlo finché le cose non si raffreddano. Se le celle si scaricano completamente, il pacco batteria si spegnerà perché le celle sono rovinate. Può anche tenere traccia del numero di cicli di carica / scarica e inviare informazioni in modo che il misuratore della batteria del laptop possa dirti quanta carica è rimasta nella batteria.

È un piccolo computer piuttosto sofisticato e trae energia dalle batterie. Questo consumo energetico è uno dei motivi per cui le batterie agli ioni di litio perdono il 5% della loro potenza ogni mese quando sono inattive.

Celle agli ioni di litio

Come con la maggior parte delle batterie, hai una custodia esterna in metallo. L'uso del metallo è particolarmente importante qui perché la batteria è pressurizzata. Questa custodia in metallo ha una sorta di foro di sfiato sensibile alla pressione. Se la batteria diventa così calda da rischiare di esplodere per sovrapressione, questo sfiato rilascerà la pressione extra. La batteria sarà probabilmente inutile in seguito, quindi è qualcosa da evitare. Lo sfiato è rigorosamente lì come misura di sicurezza. Lo stesso vale per l'interruttore PTC (Positive Temperature Coefficient), un dispositivo che dovrebbe impedire il surriscaldamento della batteria.

Questa custodia in metallo contiene una lunga spirale composta da tre fogli sottili pressati insieme:

• Un elettrodo positivo
• Un elettrodo negativo
• Un separatore

All'interno della custodia questi fogli sono immersi in un solvente organico che funge da elettrolita. L'etere è un solvente comune.

Il separatore è un sottilissimo foglio di plastica microforata. Come suggerisce il nome, separa gli elettrodi positivi e negativi consentendo il passaggio degli ioni.

L'elettrodo positivo è costituito da ossido di litio cobalto o LiCoO2. L'elettrodo negativo è in carbonio. Quando la batteria si carica, gli ioni di litio si muovono attraverso l'elettrolita dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo e si attaccano al carbone. Durante la scarica, gli ioni di litio ritornano al LiCoO2 dal carbonio.

Il movimento di questi ioni di litio avviene a una tensione abbastanza alta, quindi ogni cella produce 3,7 volt. Questo è molto più alto dei 1,5 volt tipici di una normale cella alcalina AA che si acquista al supermercato e aiuta a rendere le batterie agli ioni di litio più compatte in piccoli dispositivi come i telefoni cellulari. Vedere Come funzionano le batterie per i dettagli sui diversi chimici delle batterie.

Vedremo come prolungare la durata di una batteria agli ioni di litio ed esploreremo il motivo per cui possono esplodere in seguito.

Durata e morte della batteria agli ioni di litio

I pacchi batteria agli ioni di litio sono costosi, quindi se vuoi che il tuo duri più a lungo, ecco alcune cose da tenere a mente:

• La chimica degli ioni di litio preferisce la scarica parziale a quella profonda, quindi è meglio evitare di portare la batteria completamente a zero. Poiché la chimica degli ioni di litio non ha una "memoria", non si danneggia il pacco batteria con una scarica parziale. Se la tensione di una cella agli ioni di litio scende al di sotto di un certo livello, è rovinata.
• Le batterie agli ioni di litio invecchiano. Durano solo due o tre anni, anche se si trovano su uno scaffale inutilizzato. Quindi non "evitare di utilizzare" la batteria pensando che la batteria durerà cinque anni. Non lo farà. Inoltre, se stai acquistando una nuova batteria, assicurati che sia davvero nuova. Se è rimasto su uno scaffale del negozio per un anno, non durerà a lungo. Le date di produzione sono importanti.
• Evita il calore, che degrada le batterie.

Batterie che esplodono

Ora che sappiamo come mantenere le batterie agli ioni di litio funzionanti più a lungo, vediamo perché possono esplodere.

Se la batteria si surriscalda abbastanza da accendere l'elettrolito, si verificherà un incendio. Ci sono clip video e foto sul Web che mostrano quanto possono essere gravi questi incendi. L'articolo della CBC, "Summer of the Exploding Laptop", raccoglie molti di questi incidenti.

Quando si verifica un incendio come questo, di solito è causato da un cortocircuito interno nella batteria. Ricorda dalla sezione precedente che le celle agli ioni di litio contengono un foglio separatore che tiene separati gli elettrodi positivi e negativi. Se quel foglio viene perforato e gli elettrodi si toccano, la batteria si riscalda molto rapidamente. Potresti aver sperimentato il tipo di calore che una batteria può produrre se hai mai messo in tasca una normale batteria da 9 volt. Se una moneta va in cortocircuito tra i due terminali, la batteria si surriscalda.

In un guasto del separatore, lo stesso tipo di cortocircuito si verifica all'interno della batteria agli ioni di litio. Poiché le batterie agli ioni di litio sono così energiche, diventano molto calde. Il calore fa sì che la batteria scarichi il solvente organico utilizzato come elettrolita e il calore (o una scintilla vicina) può accenderlo. Una volta che ciò accade all'interno di una delle celle, il calore del fuoco si riversa sulle altre celle e l'intero branco va in fiamme.

È importante notare che gli incendi sono molto rari. Tuttavia, ci vogliono solo un paio di fuochi e un po 'di media copertura per sollecitare un richiamo.

Diverse tecnologie al litio

In primo luogo, è importante notare che esistono molti tipi di batterie "agli ioni di litio". Il punto da notare in questa definizione si riferisce a una "famiglia di batterie".
Ci sono diverse batterie "agli ioni di litio" all'interno di questa famiglia che utilizzano materiali diversi per il loro catodo e anodo. Di conseguenza, presentano caratteristiche molto diverse e quindi sono adatti per diverse applicazioni.

Litio ferro fosfato (LiFePO4)

Il litio ferro fosfato (LiFePO4) è una tecnologia al litio ben nota in Australia grazie al suo ampio utilizzo e all'idoneità a un'ampia gamma di applicazioni.
Le caratteristiche di prezzo basso, alta sicurezza e buona energia specifica, ne fanno una valida opzione per molte applicazioni.
La tensione della cella LiFePO4 di 3,2 V / cella la rende anche la tecnologia al litio preferita per la sostituzione del piombo acido sigillata in una serie di applicazioni chiave.

Batteria LiPO

Tra tutte le opzioni al litio disponibili, ci sono diversi motivi per cui LiFePO4 è stato selezionato come la tecnologia al litio ideale per la sostituzione dello SLA. Le ragioni principali derivano dalle sue caratteristiche favorevoli quando si guarda alle principali applicazioni in cui esistono attualmente gli SLA. Questi includono:

• Voltaggio simile a SLA (3,2 V per cella x 4 = 12,8 V) che li rende ideali per la sostituzione SLA.
• La forma più sicura delle tecnologie al litio.
• Rispettoso dell'ambiente: il fosfato non è pericoloso e quindi è rispettoso dell'ambiente e non costituisce un rischio per la salute.
• Ampia gamma di temperature.

Caratteristiche e vantaggi di LiFePO4 rispetto allo SLA

Di seguito sono riportate alcune caratteristiche chiave di una batteria al litio ferro fosfato che offre alcuni vantaggi significativi dello SLA in una vasta gamma di applicazioni. Questo non è un elenco completo con tutti i mezzi, tuttavia copre gli elementi chiave. Come SLA è stata selezionata una batteria AGM da 100 Ah, poiché questa è una delle dimensioni più comunemente utilizzate nelle applicazioni a ciclo profondo. Questo 100AH AGM è stato paragonato a un 100AH LiFePO4 per confrontare un simile il più vicino possibile.

Caratteristica - Peso:

Confronto

• LifePO4 è meno della metà del peso dello SLA
• Ciclo profondo AGM - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Benefici

• Aumenta l'efficienza del carburante
  • Nelle applicazioni su roulotte e barche, il peso di traino è ridotto.
• Aumenta la velocità
  • Nelle applicazioni in barca la velocità dell'acqua può essere aumentata
• Riduzione del peso complessivo
• Runtime più lungo

Il peso ha un grande impatto su molte applicazioni, specialmente dove sono coinvolti il traino o la velocità, come roulotte e nautica. Altre applicazioni, comprese l'illuminazione portatile e le applicazioni della fotocamera in cui è necessario trasportare le batterie.

Caratteristica - Maggiore durata del ciclo:

Confronto

• Fino a 6 volte la durata del ciclo
• Ciclo AGM Deep - 300 cicli @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 cicli @ 100% DoD

Benefici

• Costo totale di proprietà inferiore (costo per kWh molto inferiore durante la durata della batteria per LiFePO4)
• Riduzione dei costi di sostituzione: sostituire l'AGM fino a 6 volte prima che sia necessario sostituire LiFePO4

La maggiore durata del ciclo significa che il costo iniziale aggiuntivo di una batteria LiFePO4 è più che compensato dall'uso della batteria per tutta la vita. Se viene utilizzato quotidianamente, un AGM dovrà essere sostituito ca. 6 volte prima che il LiFePO4 debba essere sostituito

Caratteristica - Curva di scarica piatta:

Confronto

• A 0,2 ° C (20 A) di scarica
• AGM - scende sotto i 12V dopo
• 1.5 ore di runtime
• LiFePO4 - scende sotto i 12V dopo circa 4 ore di autonomia

Benefici

• Uso più efficiente della capacità della batteria
• Potenza = Volt x Amp
• Una volta che la tensione inizia a diminuire, la batteria dovrà fornire amplificatori più elevati per fornire la stessa quantità di energia.
• Una tensione più alta è migliore per l'elettronica
• Tempo di esecuzione più lungo per le apparecchiature
• Pieno utilizzo della capacità anche a velocità di scarica elevate
• Scarica AGM @ 1C = 50% di capacità
• Scarica LiFePO4 @ 1C = capacità 100%

Questa caratteristica è poco conosciuta ma è un forte vantaggio e offre molteplici vantaggi. Con la curva di scarica piatta di LiFePO4, la tensione del terminale si mantiene sopra i 12V per un utilizzo della capacità fino all'85-90%. Per questo motivo, sono necessari meno amplificatori per fornire la stessa quantità di potenza (P = VxA) e quindi un uso più efficiente della capacità porta a una maggiore autonomia. L'utente inoltre non noterà in precedenza il rallentamento del dispositivo (ad esempio il golf cart).

Insieme a questo l'effetto della legge di Peukert è molto meno significativo con il litio rispetto a quello dell'AGM. Ciò si traduce nell'avere a disposizione una grande percentuale della capacità della batteria indipendentemente dalla velocità di scarica. A 1C (o 100A di scarica per una batteria da 100AH) l'opzione LiFePO4 ti darà ancora 100AH contro solo 50AH per AGM.

Caratteristica - Maggiore utilizzo della capacità:

Confronto

• DoD consigliato da AGM = 50%
• LiFePO4 consigliato DoD = 80%
• Ciclo AGM Deep - 100AH x 50% = 50Ah utilizzabile
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Differenza = 30Ah o 60% in più di capacità

Benefici

• Maggiore autonomia o minore capacità della batteria per la sostituzione

Il maggiore utilizzo della capacità disponibile significa che l'utente può ottenere fino al 60% in più di autonomia dalla stessa opzione di capacità in LiFePO4, o in alternativa optare per una batteria LiFePO4 di capacità inferiore pur mantenendo la stessa autonomia dell'AGM di capacità maggiore.

Caratteristica - Maggiore efficienza di carica:

Confronto

• AGM - La ricarica completa richiede ca. 8 ore
• LiFePO4 - La carica completa può essere di appena 2 ore

Benefici

• Batteria carica e pronta per essere riutilizzata più rapidamente

Un altro grande vantaggio in molte applicazioni. A causa della minore resistenza interna tra gli altri fattori, LiFePO4 può accettare la carica a una velocità molto elevata rispetto all'AGM. Ciò consente loro di essere caricati e pronti per l'uso molto più velocemente, portando a molti vantaggi.

Caratteristica - Bassa velocità di autoscarica:

Confronto

• AGM - Scarica all'80% SOC dopo 4 mesi
• LiFePO4 - Scarica all'80% dopo 8 mesi

Benefici

• Può essere lasciato in deposito per un periodo più lungo

Questa caratteristica è importante per i veicoli ricreativi che possono essere utilizzati solo per un paio di mesi all'anno prima di andare in rimessaggio per il resto dell'anno come roulotte, barche, motociclette e moto d'acqua ecc. Insieme a questo punto, LiFePO4 non calcifica e quindi anche dopo essere stata lasciata per lunghi periodi di tempo, è meno probabile che la batteria venga danneggiata in modo permanente. Una batteria LiFePO4 non viene danneggiata se non viene lasciata in magazzino in uno stato completamente carico.

Quindi, se le tue applicazioni garantiscono una delle funzionalità di cui sopra, sarai sicuro di ottenere il valore dei tuoi soldi per l'extra speso per una batteria LiFePO4. Nelle prossime settimane seguirà un articolo che includerà gli aspetti di sicurezza su LiFePO4 e diverse sostanze chimiche al litio.