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Accumulo elettrochimico
Gli accumulatori o batterie sono un sistema di accumulo detto "elettrochimico" che opera la trasformazione di energia elettrica in forma potenziale chimica da contenere poi in accumulatori elettrochimici monolitici all’interno dei quali avvengono le trasformazioni di specie chimiche. Ovviamente l’energia che potrà essere restituita mediante i processi inversi sarà data dalla differenza tra l’energia inizialmente introdotta e le ovvie perdite che si verificano a seguito delle inefficienze del sistema. Principalmente possiamo distinguere le batterie in cinque categorie affermate, ovvero, quelle al piombo-acido, quelle alcaline, quelle ad alta temperatura, quelle metallo-aria e quelle al litio. Ognua di queste categorie presenta dei vantaggi e degli svantaggi talvolta noti, talvolta meno, ma di sicuro raramente espressi con numeri espliciti.
Batterie piombo-acido
Trattasi del sistema di accumulo il quale, sebbene presenti forti limiti quali bassa densità di energia, lunghi tempi di ricarica, necessità di manutenzione continua e sensibilità alla temperatura operativa, è stato il più utilizzato per molti anni anche per impieghi come la trazione elettrica. Oggi la batteria al piombo-acido resiste ancora e viene adottata per alimentare due estremi opposti, mezzi elettrici molto piccoli (scooter e biciclette a pedalata assistita) e mezzi elettrici molto grandi (autobus e minibus). Di fondamentale importanza risulta il ruolo della ricerca e sviluppo che, attualmente, prosegue gli studi per migliorare il più possibile le prestazioni di simili batterie. Attualmente esistono batterie al piombo-acido con elettrodo positivo a piastra piana, a piastra tubolare, a ricombinazione di gas, ecc., quelle prevalentemente utilizzate in passato per la trazione elettrica avevano elettrodi positivi tubolari capaci di fornire una densità di energia pari a 35 Wh/kg e una potenza specifica di 50-60 W/kg. Il limite di tale batterie è quello di resistere a scariche profonde per un numero assai limitato di cicli (solo 800) inoltre per una ricarica completa richiedono circa 8 ore.
Energia specifica: __ Wh/Kg
Densità di energia: 35 Wh/kg
Potenza specifica: 50-60 W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 800 cicli
Tempi di ricarica: 8 ore
Batterie alcaline
Nichel-Cadmio (NiCd)
Senza dubbio un accumulatore affidabile, resistente anche ad intensi maltrattamenti in carica e scarica, con un’elevata ciclabilità, alta potenza specifica e buona energia specifica (raggiunta solo di recente grazie allo sviluppo di tecniche costruttive innovative), tuttavia i costi sono da 5 ad 8 volte superiori a quelli di una batteria al piombo-acido. Le prestazioni sono migliorate grazie all’adozione di feltri metallizzati con impregnazione elettrochimica del nichel che hanno consentito risparmi dello stesso nichel pari al 30% a parità di prestazioni. Sono inoltre stati adoperati leganti organici i quali hanno reso possibile il raggiungimento di una densità di energia doppia rispetto alle precedenti batterie con valori di circa 50 Wh/kg ed un numero di cicli previsti pari a 2000. I tempi di ricarica inferiori alle 5 ore hanno reso per diverso tempo questo sistema di accumulo molto interessante, nonostante ciò la tossicità del nichel per l’ambiente ne sta decretando l’uscita di scena.
Energia specifica: __ Wh/Kg | 20* Wh/kg | 35** Wh/kg
Densità di energia: 50 Wh/kg | 40* Wh/l | 100** Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 2000 cicli
Tempi di ricarica: inf. 5 ore
*riferito alle batterie tascabili
**riferito alle batterie sigillate
Nichel-Ferro (NiFe)
Date le caratteristiche tutto sommato analoghe alle batterie alcaline al Nichel-Cadmio (elevata densità di energia e ciclabilità), ma con l’adozione del ferro in sostituzione del nichel al fine di evitare danni all’ambiente, si pensava che questa batteria avrebbe rappresentato la risposta migliore per l’accumulo dell’energia specie sui veicoli a trazione elettrica. Così non è stato, si sono verificati infatti importanti problemi di autoscarica e di riscaldamento con conseguente riduzione del rendimento energetico.
Energia specifica: 30* Wh/Kg
Densità di energia: 55* Wh/kg
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: simili a NiCd
Tempi di ricarica: simili a NiCd
*riferito alle batterie tascabili
Nichel-Zinco (NiZn)
Considerato per molti anni uno degli accumulatori più promettenti, anche la batteria Nichel-Zinco presenta interessanti vantaggi contrappesati allo stesso tempo da note dolenti. Innanzitutto la densità di energia risulta essere buona se rapportata alle precedenti batterie descritte, siamo infatti intorno ai 60-80 Wh/kg. In secondo luogo i reagenti sono ampiamente disponibili. D’altra parte le batterie Nichel-Zinco peccano per bassa ciclabilità ed estrema sensibilità alle sovraccariche; si tratta di problemi, mai risolti completamente, causati dalla solubilità dello zinco nell’elettrolita e dalla crescita dendritica. Lo sviluppo di nuovi separatori e l’aggiunta di appositi additivi agli elettrodi ed all’elettrolita hanno posto rimedio a tali problemi solo in parte.
Energia specifica: 120 Wh/Kg
Densità di energia: 60-80 Wh/kg
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: ridotta
Tempi di ricarica: /
Nichel-Idrogeno (NiH2)
La ricerca in campo spaziale ha portato allo sviluppo di batterie Nichel-Idrogeno ad elevate prestazioni, ciò nonostante, come per molte applicazioni progettate per uso nello spazio, i costi sono esorbitanti. La principale causa risiede nei materiali utilizzati che, in questo caso, solo il platino per la cella ed il titanio per il contenitore in pressione. Si tratta comunque di batterie caratterizzate da un’elevata vita ciclica, una buona potenza specifica e una buona robustezza generale del sistema.
Energia specifica: 64 Wh/Kg
Densità di energia: 105 Wh/kg
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: elevata
Tempi di ricarica: /
Nichel-Idruri metallici (NiMH)
Per quanto riguarda le batterie alcaline, la più recente è quella nichel-idruri metallici (conosciuta anche come batteria al Nichel metallo idruro o, più impropriamente Nichel metal idrato). Questo sistema di accumulo sostituisce il cadmio con una lega metallica (vanadio, titanio, zirconio, nichel, cromo) al fine di risolvere il problema dell’impatto ambientale. Trattasi di una batteria caratterizzata da una buona energia specifica, un’elevata ciclabilità (circa 2000 cicli per scariche all’80% di DoD, Depth of Discharge), manutenzione assente, costo inferiore rispetto alle Nichel-Cadmio, autoscarica molto lenta, tempi di ricarica compresi tra le 3 e le 4 ore, nonché un’altissima potenza specifica superiore a 1000W/kg.
Energia specifica: 240 Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/kg (75 Wh/l)
Potenza specifica: 1000-1300 W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 2000 cicli c.a. per scariche all’80%
Tempi di ricarica: 3-4 ore
Batterie alta temperatura
Sodio-Nichel cloruri metallici
Derivata dall’accumulatore Sodio-Zolfo questa batteria viene chiamata anche “Zebra”. Al posto del catodo di zolfo adotta un cloruro metallico (di nichel o di ferro) con un ulteriore elettrolita liquido, questo evita i problemi di corrosione che si verificavano con la soluzione precedente. E’ stato inoltre evitato l’uso del nichel per la costruzione del contenitore, una scelta che non ha influito sulle prestazioni elettriche ed energetiche ma ha reso il prodotto più economico e quindi accessibile. Altra caratteristica piuttosto interessante è la capacità di lavorare in condizioni estreme, ad alte temperature (250°C) ed in modo continuo. Questo tipo di batterie sono state sottoposte a test che hanno dimostrato una vita utile di 10 anni e circa 1.500 cicli di carica/scarica.
Energia specifica: 145* Wh/Kg
Densità di energia: 340* Wh/l
Potenza specifica: 271* W/kg
Densità di potenza: 613* (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 10 anni, 1500 cicli
Tempi di ricarica: /
*riferifo a celle da 30-40 Ah
Batterie metallo-aria
Trattasi di una tipologia di batteria assai particolare la quale utilizza un elettrodo negativo metallico che, a seconda del materiale (alluminio, zinco, ferro) offre prestazioni differenti, ed un elettrodo positivo che sfrutta l’ossigeno contenuto nell’aria in modo piuttosto simile a quello delle celle a combustibile. Il risultato è un sistema di accumulo con potenza specifica ed energia specifica elevate.
Alluminio-aria
La batteria alluminio-aria deve essere ricaricata meccanicamente, ciò significa che gli elettrodi di alluminio devono essere sostituiti una volta che questa si è scaricata. La ricarica in questo modo risulta assai veloce (quasi al pari di un pieno di carburante) ma richiede personale specializzato, apposite infrastrutture e implica costi elevati.
Zinco-aria
La batteria zinco-aria manifesta instabilità dello zinco con conseguente riduzione della vita utile e delle prestazioni. Il lato positivo è che può essere ricaricata sia meccanicamente che elettricamente, inoltre risulta più economica rispetto al tipo alluminio-aria.
Ferro-aria
La batteria ferro-aria si ricarica solo in modo tradizionale ma risulta interessante per i costi ridotti. Il problema di tali celle è che, per il momento, non vanno oltre i 300 cicli di carica/scarica.
Energia specifica: __ Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/kg
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: /
Tempi di ricarica: /
Batterie al litio
L’ultima generazione di accumulatori (i più promettenti) sono quelli al litio. Essi sono caratterizzati dall’utilizzo di una varietà di materiali elettrodici ed elettrolitici i quali danno vita ad un gran numero di coppie elettrochimiche. Il risultato è una vasta gamma di prodotti “al litio”. Pur essendo differenti tra loro, per via dei materiali impiegati, vi è un elemento fondamentale in comune, ovvero lo ione portatore della carica elettrica: ione Litio, Li+. Il litio è l’elemento della tavola periodica avente il potenziale elettrochimico più negativo (E0=-3.045 V) ragione per cui, accoppiandolo con un altro elemento, si ottiene una elevata differenza di potenziale la quale è direttamente proporzionale all’energia di una cella. Esso inoltre è un metallo alcalino, ha un modesto peso atomico e una forte reattività, tali caratteristiche lo rendono ideale per la produzione di accumulatori ma, allo stesso tempo, ne fanno un elemento pericoloso che deve essere impiegato in batterie ad elevato standard qualitativo costruite in ambienti severamente controllati privi di umidità, contaminanti e agenti fisici. Durante l’utilizzo un accumulatore agli ioni di litio può esplodere se si surriscalda ed i dispositivi di sicurezza (interruttore termico, valvola di sfiato) non funzionano a dovere; anche in fase di ricarica l’accumulatore può esplodere nel caso in cui la carica sia eccessiva e mal gestita dal caricatore (solitamente è opportuno utilizzare caricatori appositi gestiti da processore). Costo e sicurezza sono fattori limitanti nella diffusione di queste batterie per impieghi differenti da quelli consumer (gadget e utility elettroniche di dimensioni medio piccole), per tali ragioni la ricerca sta compiendo un enorme lavoro per impiegare nella maniera migliore simili dispositivi anche sui veicoli elettrici ed ibridi o per le reti di distribuzione di energia per il taglio dei picchi ed il livellamento di carico.
Litio metallico
Si tratta di una tipologia di accumulatori che hanno l’anodo costituito da litio metallico e l’elettrolita, che invece può essere sia liquido che solido, costituito da materiali ceramici, vetrosi oppure polimerici. I vantaggi si traducono in bassa resistenza interna, capacità elevata, potenza specifica elevata, energia specifica elevata. D’altra parte però l’estrema reattività del litio metallico provoca importanti problemi di sicurezza.
Litio ione
Gli accumulatori litio ione hanno prestazioni inferiori ai precedenti al litio metallico tuttavia, la minore reattività, offre maggiore stabilità nonché sicurezza nelle fasi di produzione e successivo utilizzo. In questo genere di accumulatori vengono utilizzati materiali elettrodici ad intercalazione (ossia che accettano ioni di litio all’interno della loro struttura) che possono accumulare e rilasciare grandi quantità di litio reversibilmente. Il tipo di materiali elettrodici ed elettrolitici stabilisce la tensione di lavoro delle singole celle ed ha effetto sull’energia specifica delle stesse. Quasi tutte le tipologie di celle al litio superano i 3 Volt di tensione a vuoto. Nella tabella che segue sono riportate alcune delle caratteristiche principali delle batterie litio-ione (in fase di studio e sviluppo) destinate a veicoli elettrici ed ibridi; tra queste troviamo le batterie litio ione NCA Grafite (Nichel-Cobalto Alluminio), le LFP Grafite (Litio Ferro Fosfato), le MNS TiO (Manganese Spinello), le MN Grafite (Manganese ossido).
Energia specifica: fino a 230 Wh/Kg
Densità di energia: fino a 530 Wh/l
Potenza specifica: fino ad alcuni kW/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica:
-c.a 1000-2000 cicli con scariche del 100%,
-sup. 100.000 cicli con scariche minime
Tempi di ricarica: /
Batterie in fase di studio per il futuro
Presto disponibile...
Contenuto di un pacco batterie
Nelle immagini che seguono chiariamo un concetto che non sempre è chiaro ai più. Nella prima fila di immagini vediamo un pacco batterie NiMH (l'aspetto non differisce da un analogo pacco assemblato con celle agli ioni di litio), esso è formato da 3 moduli (in questo caso collegati in serie tra loro) e, ognuno dei tre moduli è a sua volta costituito da 5 celle (anch'esse collegate in serie tra loro). Quindi le celle formano i moduli e quest'ultimi, collegati in serie o parallelo a seconda delle necessità, formano i pacchi finali. Ovviamente più pacchi possono essere collegati tra loro (generalmente in parallelo) al fine di formare un'unità in grado di accumulare una quantità di energia maggiore il cui ammontare è definito in Wh o kWh. La casa leader che ha anticipato il futuro dell'auto elettrica, la Tesla Motors, ama definire le sue unità di accumulo elettrochimico come segue: le celle sono l'unità del sistema d'accumulo, l'assemblaggio di più celle forma i mattoncini, l'unione di quest'ultimi forma le lastre ed infine l'accostamento di più lastre dà luogo ad un pacco batterie. Nomenclature diverse, probabilmente anche più intuitive, ma medesima logica.
La sicurezza
I pacchi batterie devono obbligatoriamente essere dotati di sistemi di sicurezza che interrompano la richiesta di energia qualora si verifichino dei problemi nelle celle o nel caso in cui la temperatura di esercizio raggiunga il valore d'allerta. Talvolta vengono adoperati dei termostati meccanici calibrati, altre volte i termostati meccanici vengono affiancati da termostati elettronici che comunicano direttamente con la scheda principale dell'apparecchio, altre volte ancora vi è una scheda dedicata installata direttamente sul pacco batterie.
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| Pacco batterie | Pacco batterie | Estremità prive di isolamenti |
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| Moduli | Moduli e celle | Moduli e celle |
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| Dettaglio termostato meccanico | Dettaglio termostato elettronico | Cella |
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