Dai veicoli a nuova energia ai sistemi di accumulo dell'energia: requisiti tecnici per le batterie agli ioni di litio in diversi campi di applicazione

Le batterie agli ioni di litio- si sono espanse dal loro utilizzo iniziale nell'elettronica di consumo per comprendere nuovi veicoli energetici, sistemi di stoccaggio dell'energia, apparecchiature industriali, unità UPS, utensili elettrici e altri sistemi energetici mobili e fissi. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti identifica i veicoli elettrici, lo stoccaggio stazionario di energia, l’aviazione e altri settori come applicazioni chiave a valle per le celle delle batterie di potenza.

 

Tuttavia, i requisiti della batteria variano a seconda dei diversi scenari applicativi. I veicoli a nuova energia danno priorità alla densità energetica, alla potenza erogata, alla ricarica rapida, al ciclo di vita e alla sicurezza; i sistemi di accumulo dell'energia si concentrano sul-funzionamento a lungo termine, sui costi, sulla durata e sulla sicurezza del sistema; mentre le apparecchiature industriali in genere richiedono stabilità, adattabilità ambientale e facilità di manutenzione.

 

Pertanto, comprendere le esigenze specifiche dei diversi scenari applicativi è una base fondamentale per la selezione delle batterie agli ioni di litio-e la progettazione del pacco batterie.

 

 

I veicoli a nuova energia pongono requisiti elevati ai sistemi di batterie. Innanzitutto, i veicoli devono immagazzinare quanta più energia elettrica possibile entro limiti di spazio e peso limitati, rendendo la densità di energia un fattore critico. In secondo luogo, la batteria deve fornire una potenza in uscita stabile per soddisfare le elevate richieste di energia istantanea associate all'accelerazione, alla salita in salita e alla guida ad alta-velocità. Inoltre, queste batterie devono resistere a condizioni operative complesse, tra cui frequenti caricamenti e scaricamenti, fluttuazioni di temperatura, vibrazioni e utilizzo a lungo-termine.

 

Di conseguenza, la progettazione delle celle di potenza LiFePO4 per veicoli elettrici non può concentrarsi esclusivamente sull’elevata capacità; richiede invece un equilibrio tra densità energetica, potenza erogata, durata utile, sicurezza e gestione termica.

 

 

 

I sistemi di batterie per veicoli a nuova energia sono costituiti da molto più che semplici celle di batteria. Un vero e proprio pacco batteria incorpora componenti come involucri, piastre di copertura, terminali, sbarre collettrici, connettori, isolamento, parti di gestione termica ed elementi strutturali. Collettivamente, questi componenti facilitano funzioni tra cui la trasmissione di corrente, il montaggio meccanico, l'isolamento, la protezione e la gestione termica. Ad esempio, la piastra di copertura di una cella prismatica può integrare terminali positivi e negativi, un meccanismo di scarico della pressione di sicurezza- e strutture di tenuta, mentre le sbarre collettrici stabiliscono collegamenti elettrici tra più celle.

 

Di conseguenza, le parti stampate in metallo, i connettori di precisione e i componenti strutturali delle batterie all'interno della catena di fornitura delle batterie agli ioni di litio- hanno un valore ingegneristico significativo.

 

 

 

I sistemi di accumulo dell'energia della batteria (BESS) rappresentano un'altra area di applicazione chiave per le batterie al litio. A differenza dei nuovi veicoli energetici, i sistemi fissi di stoccaggio dell’energia generalmente non richiedono spostamenti frequenti, quindi la sensibilità al peso può differire. Tuttavia, poiché questi sistemi sono generalmente sottoposti a cicli di-carica-scarica frequenti e a lungo termine, fattori come la durata del ciclo, la consistenza delle celle, la gestione termica, la sicurezza e la manutenzione del sistema diventano considerazioni critiche.

 

Per i progetti di stoccaggio dell'energia su larga scala-, il sistema di batterie deve mantenere un funzionamento stabile per un lungo ciclo di vita; di conseguenza, la coerenza da cella-a-cella e le capacità di controllo del sistema di gestione della batteria (BMS) sono particolarmente importanti.

 

 

Con la crescita delle energie rinnovabili, le batterie solari al litio vengono sempre più utilizzate per l’accumulo di energia nei sistemi solari e in altri nuovi sistemi di generazione di energia. La generazione di energia solare è intrinsecamente intermittente; i sistemi fotovoltaici generano una quantità significativa di elettricità durante il giorno ma non possono produrre energia durante la notte. I sistemi di accumulo dell’energia possono catturare l’energia in eccesso durante i periodi di elevata generazione e rilasciarla quando necessario.

 

Di conseguenza, lo stoccaggio dell'energia tramite batterie agli ioni di litio- aiuta i nuovi sistemi energetici a migliorare l'efficienza nell'utilizzo dell'elettricità e supporta la rete elettrica nella riduzione dei picchi, nel riempimento delle valli e nella distribuzione dell'energia.

 

Oltre ai veicoli a nuova energia, le celle della batteria LiFePO4 per prodotti solari possono essere utilizzate anche in determinate infrastrutture di ricarica e sistemi di ricarica basati sullo-stoccaggio- di energia. Quando la capacità della rete è limitata, questi sistemi di accumulo di energia possono immagazzinare elettricità durante i periodi di bassa domanda e fornire energia supplementare durante i periodi di elevata domanda di ricarica. Tali sistemi impongono requisiti relativi alla velocità di risposta della potenza, alla durata del ciclo e alla gestione termica che differiscono da quelli dell'elettronica di consumo standard.

 

Di conseguenza, i sistemi di batterie per le applicazioni delle infrastrutture di ricarica devono essere progettati in base a fattori quali la potenza di ricarica, la capacità di accumulo dell’energia, la frequenza operativa e l’ambiente di installazione.

 

 

Le batterie al litio superpack sono adatte anche per UPS e sistemi di alimentazione di backup. Mentre i sistemi di alimentazione di backup tradizionali spesso si basano su batterie al piombo-acido, i pacchi batteria agli ioni di litio- offrono vantaggi in termini di dimensioni e peso, rendendoli un'opzione praticabile per alcuni moderni sistemi UPS. Per le applicazioni UPS, le batterie non devono solo fornire energia ma anche fornire rapidamente energia di backup in caso di interruzione dell'alimentazione di rete.

 

Di conseguenza, la progettazione del sistema deve tenere conto di fattori quali la potenza istantanea, la velocità di risposta, la durata della batteria, la gestione termica e il sistema di gestione della batteria (BMS).

 

 

Anche i veicoli industriali, le apparecchiature automatizzate, gli AGV (veicoli a guida automatizzata), gli AMR (robot mobili autonomi) e altre apparecchiature industriali mobili possono utilizzare sistemi di accumulo di energia solare e pacchi batterie al litio. Poiché questi dispositivi spesso richiedono un funzionamento continuo in fabbriche, magazzini o centri logistici, i loro sistemi di batterie devono offrire prestazioni di ciclo ed efficienza di ricarica eccellenti.

 

A differenza delle batterie per i veicoli passeggeri, quelle per le apparecchiature industriali sono spesso progettate prestando particolare attenzione all'uso ad alta-frequenza, alle capacità di ricarica rapida e alla facilità di manutenzione. Ad esempio, le batterie per le apparecchiature logistiche automatizzate devono adattarsi allo spazio interno del dispositivo e soddisfare i requisiti di alimentazione dei motori e dei sistemi di controllo.

 

 

Smartphone, laptop, tablet, dispositivi digitali e utensili elettrici sono stati tra i primi mercati chiave per le nuovissime batterie ricaricabili-per BESS. Poiché questi prodotti sono spesso sensibili alle dimensioni e al peso della batteria, l’elevata densità di energia è un parametro di progettazione critico.

 

Allo stesso tempo, i consumatori danno priorità alle-capacità di ricarica rapida, al ciclo di vita e alla sicurezza. Dato lo spazio interno limitato all'interno di questi dispositivi, le batterie spesso richiedono una personalizzazione per adattarsi alla struttura del prodotto; di conseguenza, le configurazioni a custodia, cilindriche e altre batterie compatte hanno ciascuna i propri casi d'uso specifici.

 

I requisiti dei materiali variano in base all'applicazione

 

Diversi scenari applicativi influenzano la scelta dei sistemi di materiali delle batterie.

 

I veicoli a nuova energia potrebbero richiedere un equilibrio tra densità di energia, costi e sicurezza.

 

I sistemi di stoccaggio dell'energia potrebbero porre maggiore enfasi sul ciclo di vita, sui costi e sulla stabilità a lungo-termine.

 

L'elettronica portatile dà priorità alle dimensioni, al peso e alla densità energetica.

 

Le apparecchiature industriali possono richiedere una robustezza meccanica superiore e la capacità di gestire cicli di-carica-scarica ad alta frequenza.

 

Pertanto, la selezione dei materiali per le batterie agli ioni di litio- dovrebbe basarsi su requisiti applicativi specifici piuttosto che su un semplice confronto delle prestazioni teoriche dei materiali.

 

 

Oltre alla chimica interna, anche la struttura esterna di una batteria deve essere progettata tenendo presente l’applicazione specifica.

 

Le batterie cilindriche sono caratterizzate da elevata standardizzazione e stabilità strutturale.

 

Le batterie prismatiche offrono un elevato utilizzo dello spazio grazie alla loro forma regolare, rendendole ampiamente utilizzate nei veicoli a nuova energia e nei sistemi di stoccaggio dell'energia.

 

Le batterie a sacchetto utilizzano una struttura di imballaggio flessibile, che offre vantaggi in termini di peso ed efficienza dello spazio.

 

Diversi metodi di imballaggio influiscono sull'assemblaggio delle celle, sulla gestione termica, sul montaggio meccanico, sull'interconnessione e sulla successiva progettazione del pacco batteria.

 

 

Sia che vengano utilizzate nei veicoli a nuova energia o nei sistemi di stoccaggio dell'energia, la sicurezza è una preoccupazione fondamentale per le batterie agli ioni di litio- per i prodotti solari. La sicurezza della batteria comprende molteplici aspetti, tra cui materiali, struttura delle celle, processi di produzione, gestione termica e sistemi di gestione della batteria (BMS).

 

Tra questi componenti, il separatore deve fornire l'isolamento fisico tra gli elettrodi positivo e negativo consentendo al tempo stesso il trasporto degli ioni; di conseguenza, la sua stabilità meccanica e termica sono fondamentali. Negli ultimi anni, la ricerca approfondita si è concentrata sui separatori rivestiti in ceramica-, sui separatori compositi e su altri separatori funzionalizzati per migliorare la stabilità termica, le proprietà meccaniche e le caratteristiche di trasporto degli ioni.

 

Ciò dimostra che la sicurezza della batteria non è determinata da un singolo componente ma è il risultato delle prestazioni combinate dell’intero sistema batteria.

 

 

Con l'espansione dell'ambito delle applicazioni delle batterie agli ioni di litio-, le richieste del mercato per l'integrazione delle batterie stanno diventando sempre più stringenti. Un sistema batteria completo in genere integra più componenti, tra cui celle, sbarre collettrici, parti strutturali, isolamento, sistemi di gestione termica, il sistema di gestione della batteria (BMS) e l'alloggiamento. Per i nuovi veicoli energetici e i sistemi di accumulo dell'energia-su larga scala, è necessario considerare anche fattori quali il montaggio meccanico, i collegamenti elettrici, il trasferimento di calore e la manutenzione del sistema.

 

Di conseguenza, oltre a offrire prodotti standard, i fornitori di componenti per batterie devono possedere la capacità di personalizzare dimensioni, materiali, metodi di connessione e trattamenti superficiali in base alle specifiche del cliente.

 

 

Le future applicazioni per le batterie al litio flash continueranno a concentrarsi su veicoli a nuova energia, stoccaggio di energia, alimentatori industriali e altre aree di elettrificazione.

 

Allo stesso tempo, l’industria delle batterie si sta concentrando sul raggiungimento di una maggiore densità energetica, una ricarica più rapida, una durata di vita più lunga, una maggiore sicurezza e costi di produzione inferiori.

 

Le innovazioni nei materiali e nelle tecnologie di produzione continueranno a influenzare lo sviluppo delle batterie. Ad esempio, rimane spazio per l’ottimizzazione continua dei materiali catodici e anodici, dei separatori, degli elettroliti e delle strutture delle batterie.

 

Nel frattempo, la stessa produzione di batterie pone sempre più l’accento sull’automazione, sul monitoraggio dei processi, sulla tracciabilità della qualità e sul riciclaggio dei materiali.

 

 

 

Le batterie al litio per l’accumulo di energia hanno creato un ampio ecosistema di applicazioni che abbraccia l’elettronica di consumo, i veicoli a nuova energia (NEV), lo stoccaggio dell’energia, le apparecchiature industriali, i sistemi UPS e altri sistemi elettrificati.

 

Nessun singolo progetto di batteria è universalmente applicabile a questi diversi scenari. I NEV danno priorità alla densità energetica e alla potenza erogata; i sistemi di stoccaggio dell'energia enfatizzano il ciclo di vita-a lungo termine e la sicurezza; le apparecchiature industriali si concentrano sul funzionamento e sull'affidabilità ad alta-frequenza; mentre l'elettronica di consumo dà priorità alle dimensioni compatte, alla leggerezza e all'autonomia.

 

Quando si selezionano lo stoccaggio dell'energia della batteria o i relativi componenti, gli ingegneri e i professionisti dell'approvvigionamento dovrebbero adottare un approccio di progettazione completo che consideri l'ambiente applicativo specifico, i parametri elettrici, i vincoli di spazio meccanico, i requisiti di gestione termica e la durata di servizio.

 

Solo integrando materiali cellulari, componenti strutturali, collegamenti elettrici e controlli di sistema è possibile sviluppare soluzioni di batterie agli ioni di litio- realmente ottimizzate per scenari applicativi specifici.

 

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