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Sistemi di accumulo elettrochimico dell'energia

Batterie ricaricabili al piombo acido, GEL, AGM, NiMH, Li Ion, LiFePO4...

Le batterie sono un ottimo sistama di accumulo elettrochimico dell'energia, esse non sono utili solo per i classici impieghi previsti tra i quali il sostentamento dei servizi di un camper o un imbarcazione o l'avviamento del motore a combustione interna di un veicolo, possono infatti essere impiegate con risultati interessanti per alimentare biciclette elettriche, moto elettriche, auto elettriche o, addirittura, veicoli speciali, possono essere utilizzate per esperimenti di laboratorio o per prodotti costruiti artigianalmente da chi ama il fai da te, possono essere adottate per mantenere fresco un frigorifero termoelettrico specifico per il trasporto di alimenti o campioni biologici a temperatura controllata, così come per un frigorifero specifico per un'automobile o per un qualunque altro mezzo di trasporto. Ma non solo, si possono ottenere risultati soddisfacenti collegando una o più batterie ad un mini pannello fotovoltaico tramite appositi regolatori di carica (vedi la specifica sezione "Energia" alla pagina "Professional"). Insomma, non c'è limite alla fantasia.

 

Tipologie

Batterie ricaricabili al 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.

icona Batterie ricaricabili al piombo acido (Presto disponibili)

 

Batterie ricaricabili al GEL

Le batterie al gel sono batterie al Piombo-Calcio in cui le piastre positive e negative sono immerse in una soluzione gelatinosa. Sono batterie ermetiche sigillate e non hanno bisogno di manutenzione. Vengono solitamente utilizzate in situazioni di uso intenso della batteria. La loro robustezza le rende particolarmente adatte per l’utilizzo in moto, fuori-strada, macchine operatrici ed imbarcazioni.

icona Batterie ricaricabili al gel (Presto disponibili)

 

Batterie ricaricabili AGM

Le batterie a ricombinazione di gas (AGM) sono batterie a banda continua in Piombo-Stagno in cui la stessa piastra, la soluzione elettrolitica ed i separatori in fibre polimeriche e silicio sono avvolti a spirale. Sono batterie senza manutenzione, ad elevato spunto all’avviamento studiate appositamente per l’utilizzo in situazioni estreme e gravose. Resistono a cicli di carica e scarica intensi.

icona Batterie ricaricabili AGM

 

Batterie ricaricabili 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.

icona Batterie ricaricabili NiMH

 

Batterie ricaricabili Li Ion

Gli accumulatori litio ione hanno prestazioni inferiori rispetto a quelli 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 trovate al link seguente (Sistemi di accumulo elettrochimico dell'energia) 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: /

icona Batterie ricaricabili Li Ion (Presto disponibili)

 

Batterie ricaricabili al Litio ferro fosfato (LiFePO4)

Batteria della famiglia Li-Ion che utilizza come catodo il litio-ferro-fosfato. Le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi di questa tipologia di batterie, sono molto simili a quelle delle sorelle Li-Ion ma alcuni parametri sono stati sensibilmente migliorati. Dispongono di una maggiore resistenza termica, un’ottima stabilità della tensione, hanno una minore corrente di auto-scarica, una maggiore resistenza all’invecchiamento, (se ben curate e correttamente caricate possono raggiungere i 2000 cicli di carica-scarica), una più alta corrente di picco e sono più ecologiche in quanto il ferro (utilizzato in sostituzione del cobalto) ha un basso impatto ambientale. D’altra parte però sono più ingombranti di una batteria agli ioni di litio a parità di prestazioni (aspetto problematico se utilizzate per una e-bike che può arrivare, con motore e batterie, a pesare tre volte di più di una normale bicicletta con tutte le conseguenze che ne derivano in termini di maneggevolezza e sicurezza di guida).

icona Batterie ricaricabili al Litio ferro fosfato (Presto disponibili)

 

Batterie ricaricabili ai Litio polimeri (Li-Poly)

Trattasi di uno sviluppo tecnologico dell’accumulatore agli ioni di litio. L’elettrolita (in sale di litio) non è contenuto in un solvente organico bensì in un composito di polimero solido (generalmente poliacrilonitrile). Uno dei principali vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio è che il polimero solido non è infiammabile e le batterie risultano molto meno pericolose in caso di danneggiamento o violenti urti a bordo di una bicicletta/moto elettrica. Inoltre non è necessario inserirle in un contenitore metallico, in tal modo è possibile contenere i pesi ed attribuire alle batterie la forma più adatta al dispositivo sul quale devono essere alloggiate. Uno dei principali svantaggi è invece la minor durata (circa 500 cicli di carica-scarica) rispetto alle batterie agli ioni di litio. La loro densità energetica è maggiore del 20% rispetto ad una normale batteria agli ioni di litio e pari al triplo di quella delle batterie al nichel cadmio o al nichel metallo idruro. La tensione delle celle delle batterie ai litio polimeri va da circa 2,7 V (tensione da scariche; attenzione però il carico di lavoro deve essere rimosso non appena si toccano i 3,0V) a circa 4,23 V (tensione da cariche oltre la quale non si deve mai salire). Questi valori devono essere tenuti sotto controllo da un circuito di monitoraggio che deve per forza di cose andare a corredo del kit per trasformare il vostro veicolo/prototipo in EV. Ignorare questi parametri porta ad una precoce perdita di prestazioni della batteria.

icona Batterie ricaricabili ai Litio polimeri (Presto disponibili)

 

Batterie ricaricabili a schiuma di grafite e litio (Nanofosfati)

Le batterie a schiuma di grafite e litio (in forma nanometrica) sono le batterie della famiglia Li-Ion che offrono prestazioni da F1 con ben 3.000 watt/kg (5800 watt/litro) e quindi con più che soddisfacenti rapporti energia/peso ed energia/volume. Possono essere ricaricate fino al 90% della loro capacità in soli 5 minuti e sono in grado di reggere cicli di carica-scarica 10 volte superiori rispetto alle tradizionali batterie ricaricabili. L’arrivo sul mercato di queste batterie sarà inizialmente dedicato agli utensili elettrici (avvitatori, levigatrici, trapani…) per poi raggiungere biciclette elettriche, tagliaerba e vetture ibride. Le nanotecnologie hanno permesso la creazione di questo nuovo tipo di batteria agli ioni di litio che può fornire un’energia 5 volte superiore rispetto alle normali Li-Ion. Durante le fasi di carica e scarica, le batterie agli ioni di litio trasferiscono gli ioni fra i due elettrodi. Se da un lato diminuire la dimensione delle particelle di litio può aumentare la potenza della batteria, dall’altro può anche favorire la tendenza all’esplosione. Si è posto rimedio al problema utilizzando, paradossalmente, materiali scarsamente conduttivi dopandoli con tracce di materiale conduttivo, successivamente si è ridotto via via la dimensione delle particelle dopate al fine di facilitare l'uscita degli ioni. E' facile dedurre che a prestazioni eccezionali corrispondano prezzi attualmente elevati.

icona Batterie ricaricabili a schiuma di grafite e litio (Prossimamente)

 

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