Guida introduttiva alle batterie di potenza: dalla chimica delle celle allo stoccaggio su larga scala e al BMS.

In breve

• Il numero di celle in serie determina la tensione; il numero di celle in parallelo determina la capacità e la corrente massima. L'energia nominale può essere stimata come E=N_sN_pV_{cell}Q_{cell} .

• Le batterie agli ioni di litio offrono un'elevata efficienza di carica/scarica e densità di potenza, ma la durata varia in base alla temperatura, alla velocità di carica e all'intervallo di SOC. Le tecnologie LFP, NMC, agli ioni di sodio e altre presentano ciascuna i propri punti di forza a seconda dell'applicazione.

• Il BMS monitora la tensione, la corrente, la temperatura e l'isolamento delle celle e stima SOC (carica residua), SOH (grado di degrado) e SOP (potenza disponibile). Non confondere le soglie di protezione con i valori stimati.

• Per le applicazioni di rete, la regolazione della frequenza a breve termine, la stabilizzazione della produzione da fonti rinnovabili, lo spostamento dell'energia su scala oraria e l'avvio a freddo durante un'interruzione di corrente sono progettati separatamente.

Non bisogna confrontare solo il prezzo della batteria stessa, ma anche il LCOS (Costo Livellato di Accumulo), che include il rack, il PCS, il trasformatore, le apparecchiature antincendio, le celle di ricambio e lo smaltimento.

1. Dalla cella al rack

La forza elettromotrice di una singola cella è determinata dalla differenza di potenziale tra i suoi elettrodi positivo e negativo. Collegando celle N_s in serie si aumenta la tensione; collegando celle N_p in parallelo si aumentano la capacità e la corrente ammissibile. L'energia idealizzata è

Ad esempio, disponendo 100 celle LFP da 3,2 V e 100 Ah in serie e 10 stringhe in parallelo si ottiene un'energia nominale di circa 32 kWh. La capacità effettivamente utilizzabile viene stimata tenendo conto dei limiti superiore/inferiore dello stato di carica (SOC), della temperatura, del degrado e dell'efficienza del PCS (Power Supply Chain).

Figura 1 — Una batteria diventa più grande semplicemente aggiungendo altre celle, ma diventa un'apparecchiatura di alimentazione solo quando si includono il monitoraggio della tensione, la gestione termica, i contattori, i sistemi antincendio, il PCS e il trasformatore.

2. Scelta della composizione chimica

Il materiale dell'elettrodo positivo ha un grande impatto sulla densità energetica, sulla durata, sul costo e sulla sicurezza. Le batterie NMC (nichel-manganese-cobalto) tendono a raggiungere un'elevata densità energetica, un vantaggio per i veicoli e altre applicazioni con vincoli di volume, ma richiedono attenzione alla stabilità termica e al costo delle risorse. Le batterie LFP (litio-ferro-fosfato) presentano uno svantaggio in termini di densità energetica, ma i loro punti di forza sono la stabilità termica, la durata del ciclo di vita e una catena di approvvigionamento che non richiede cobalto. Le batterie agli ioni di sodio sono promettenti per le loro caratteristiche a bassa temperatura e la disponibilità delle risorse, ma la loro densità energetica per unità di volume è ancora inferiore a quella delle batterie al litio.

La grafite rimane il materiale dominante per l'elettrodo negativo, e sono in corso ricerche sull'aggiunta di silicio per aumentarne la capacità. Tuttavia, il silicio subisce notevoli variazioni di volume durante i cicli di carica/scarica, e la frattura delle particelle e la perdita di capacità irreversibile iniziale rimangono problematiche. Le batterie a stato solido, che utilizzano un elettrolita solido, possono potenzialmente ridurre le perdite e l'infiammabilità, ma la resistenza interfacciale, la necessità di applicare pressione, la resa produttiva e la conduttività ionica a bassa temperatura rimangono ostacoli alla loro applicazione pratica.

1. Il BMS non è un indicatore di carica

Un BMS (Battery Management System) legge la tensione, la temperatura e la corrente di ciascuna cella e calcola l'intervallo entro il quale sono consentite la carica e la scarica. Lo stato di carica (SOC) può essere monitorato tramite il conteggio di Coulomb,

ma l'offset del sensore di corrente si accumula nel tempo. La deriva viene corretta tramite un controllo incrociato con la tensione a circuito aperto (OCV), un filtro di Kalman esteso o un modello a circuito equivalente. Lo stato di salute (SOH) viene stimato monitorando separatamente il decadimento della capacità e l'aumento della resistenza interna, e il SOP calcola la "potenza massima disponibile in questo momento" a partire da temperatura, SOC e resistenza.

Quando la variazione tra le celle è elevata, la cella più debole raggiunge per prima il suo limite superiore o inferiore e spegne l'intero pacco. Il bilanciamento passivo, che dissipa energia attraverso una resistenza, è semplice ma la spreca sotto forma di calore; Il bilanciamento attivo, che trasferisce energia tramite condensatori o induttori, è più efficiente ma aumenta la complessità del circuito. Nei rack di grandi dimensioni, i circuiti integrati per il monitoraggio delle celle, la comunicazione isolata, i contattori, le resistenze di precarica e i fusibili sono tutti integrati con ridondanza.

4. Progettazione termica e sicurezza

La generazione di calore può essere approssimativamente espressa come:

Il primo termine rappresenta il riscaldamento resistivo; il secondo è il termine entropico della reazione. Elevati tassi di carica (C-rate), carica a bassa temperatura e cortocircuiti interni all'interno di una cella aumentano la generazione di calore localizzata. Un'ampia differenza di temperatura causa anche una divergenza nei tassi di degradazione, concentrando ulteriormente la corrente sulle celle più deboli.

L'instabilità termica è il fenomeno per cui la generazione di calore supera il raffreddamento e la decomposizione dell'elettrolita, la generazione di gas e la propagazione del calore alle celle vicine innescano una reazione a catena. Il problema viene affrontato con una combinazione di sensori di temperatura, fusibili, prese d'aria, spaziatura dei rack, rilevamento di fumo/gas, soppressione tramite nebulizzazione d'acqua o gas inerte, aspirazione e un piano di evacuazione. Superare un test standardizzato non significa essere sicuri se i sistemi di ventilazione e antincendio del sito di installazione sono inadeguati.

5. Corrispondenza dei casi d'uso sulla rete

La regolazione della frequenza richiede un'elevata potenza per un breve periodo; lo spostamento dei picchi di consumo richiede una grande capacità per un lungo periodo: i kW e i kWh necessari sono diversi. Aumentare semplicemente la capacità della batteria non risolve tutti i problemi; la durata e i vincoli di capacità di interconnessione alla rete spesso hanno la priorità. Anche il fatto che il PCS segua la rete o la formi in rete determina se può funzionare autonomamente come fonte di tensione durante un'interruzione di corrente.

6. V2G e Second Life

Il V2G (Vehicle-to-Grid), che raggruppa i veicoli elettrici e li immette nella rete, si basa sull'idea di utilizzare batterie distribuite come fonte di energia di regolazione. Richiede l'ottimizzazione simultanea degli orari di partenza degli utenti, dello stato di carica, della capacità della linea di distribuzione e del costo di degrado della batteria, e solleva anche problemi di latenza di comunicazione e privacy. La VPP (Virtual Power Plant), che raggruppa batterie domestiche e scaldabagni, si basa sulla stessa idea.

Il riutilizzo di batterie a fine vita, ovvero il riciclo di batterie che hanno terminato il loro ciclo di vita in un veicolo per applicazioni stazionarie, ha il potenziale per sfruttare al meglio le emissioni di carbonio generate durante la produzione. D'altro canto, quando la storia di una cella è sconosciuta, la variazione dello stato di salute (SOH) è elevata e i costi di re-ispezione, smontaggio e copertura della garanzia aumentano. Piuttosto che un semplice confronto di prezzo con una cella nuova, la decisione dovrebbe tenere conto dell'errore nella stima della capacità residua e del costo del monitoraggio della sicurezza.

7. Una prospettiva per interpretare la ricerca attuale

• Ricarica rapida e prestazioni a basse temperature: ricerca su elettroliti che sopprimono la deposizione di litio, controllo del riscaldamento e struttura dell'elettrodo negativo. Valutare il compromesso con la durata del ciclo di vita, non solo con il tempo di ricarica.

• Ioni di sodio: mira a ridurre i vincoli di risorse e i costi per le applicazioni stazionarie. Verificare se la tensione e la densità energetica della cella sono adatte all'uso previsto.

• • Batterie a stato solido: si sperava che offrissero non infiammabilità e un'elevata densità energetica, ma l'interfaccia solida, la pressione applicata e la resa produttiva rimangono i principali ostacoli.

• Gemelli digitali per la degradazione: collegamento tra cronologia operativa, temperatura, impedenza e analisi di smontaggio per stimare la durata residua come distribuzione di probabilità.

• Riciclo: confronto tra processi di rigenerazione a umido, a secco e diretta in termini di tasso di recupero, purezza, consumo energetico e logistica. I fattori economici cambiano al diminuire dei prezzi dei materiali.

Il dato di "miglioramento della capacità del X%" riportato in un articolo di ricerca cambia significato a seconda dell'area dell'elettrodo, del tasso di carica (C-rate), della temperatura e del punto finale del ciclo di vita. Il passaggio a un rack commerciale richiede, oltre alle prestazioni della singola cella, test di propagazione termica a livello di modulo, compatibilità del controllo con il PCS e un piano di sicurezza antincendio, assicurazione e smaltimento.

Riepilogo

Una batteria di potenza è un sistema che combina la cella chimica, il BMS, la gestione termica, il PCS, il trasformatore, le comunicazioni e il sistema antincendio. Anziché confrontare solo i kWh, verificare la durata richiesta, il picco di kW, l'efficienza di andata e ritorno, la durata utile e l'isolamento in caso di guasto rivela la composizione chimica e la configurazione effettivamente adatte all'applicazione.

Riferimenti