La tecnologia moderna ha reso i dispositivi elettronici portatili, come cellulari e computer, una parte essenziale della nostra vita. Questi dispositivi richiedono batterie leggere, ricaricabili e di lunga durata per funzionare. Inoltre, la capacità di avere notevoli quantità di energia erogata in tempi lunghi mediante un sistema leggero è di sicuro interesse anche in altri campi, tra i quali quello degli autoveicoli. Tali esigenze hanno portato alla ricerca di batterie compatte e con un’elevata densità d’energia e al conseguente sviluppo delle batterie a ioni di litio.
Le auto elettriche sono il futuro del settore della mobilità, e tutti sanno che il cuore di queste vetture è la batteria di trazione. In questo grande accumulatore viene immagazzinata l’energia che alimenta il motore elettrico con zero emissioni locali. Pur essendo simili alle normali batterie usate per altri apparecchi, come PC o smartphone, quelle per auto elettriche hanno delle differenze e delle caratteristiche proprie, e possono inoltre distinguersi per aspetti fisici, chimici e di assemblaggio.
Con il nome generico di batteria si intende l’insieme di singole celle energetiche, ognuna delle quali è in grado di immagazzinare una certa quantità di energia, e collegata con tutte le altre celle fornisce poi la potenza elettrica necessaria a generare il movimento del motore. In base al veicolo in oggetto ed alle caratteristiche tecniche, in una batteria possono esserci da poche decine di celle, fino a migliaia, con diversi gradi di complessità costruttiva.
Le celle non sono tutte uguali, ma sono anzi costruite con forme e materiali diversi. I formati più comuni in ambito automobilistico sono tre: celle Pouch, celle Prismatiche e celle Cilindriche, che a loro volta possono differenziarsi per diametro e altezza. Ad oggi tutte le tre tipologie vengono utilizzate nelle auto elettriche, in base alle scelte progettuali.
Composizione di una batteria per auto elettrica
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Vantaggi delle Batterie al Litio
Le batterie a ioni di litio sono notevolmente vantaggiose rispetto ad altre tecnologie.
Come Funzionano le Batterie al Litio
Il meccanismo di funzionamento delle batterie al Litio si basa sulla migrazione di ioni di Li che vengono ciclicamente estratti da e introdotti in una matrice ospite (elettrodo) durante i processi di ricarica ed utilizzo. Inizialmente furono prodotte batterie con catodi composti da un materiale accettore di ioni Li e da un anodo di Litio metallico (batterie a Litio metallico). In un secondo momento sono stati sviluppati dispositivi in cui gli elettrodi sono costituiti da materiali con struttura aperta da cui gli ioni potevano esser estratti ed inseriti.
In un simile sistema teoricamente qualsiasi liquido o solido conduttore di ioni di Li può esser usato come elettrolita; vengono utilizzati, ad esempio, sali di Litio (perclorato di Litio LiClO4) sciolti in solventi organici (carbonato di propilene) o misti oppure membrane polimeriche conduttrici (ossido di polietilene). Materiali interessanti per la funzione di matrice ospite sono materiali a struttura lamellare, ma anche materiali con siti interstiziali accessibili dagli ioni (il che implica la presenza di canali di diffusione preferenziali) e, recentemente, anche materiali amorfi.
I primi prototipi utilizzavano un catodo in TiS2 e un anodo di Litio immersi in un elettrolita non-acquoso. Il catodo presenta una struttura lamellare e durante il funzionamento gli ioni di Li si inseriscono tra le lamelle del TiS2 interagendo con i legami di van der Waals; la carica elettrica viene conservata dalla riduzione degli ioni da Ti4+ a Ti3+ e il conseguente passaggio di elettroni nel circuito esterno. Il meccanismo inverso avviene durante la ricarica della batteria, con ossidazione degli ioni di Ti ed estrazione di Li dalle lamelle del catodo. Durante questi processi la struttura del catodo rimane inalterata e questo giustifica la reversibilità del processo.
Divenne quindi necessario usare come anodo un materiale in grado di ospitare gli ioni di Litio, allo stesso modo del catodo. Ovviamente non si può usare lo stesso materiale per l’anodo e per il catodo, pena l’assenza di una driving-force che causi il movimento degli ioni tra un elettrodo e l’altro, non essendoci nessuna differenza d’energia tra i due stati. Attualmente i materiali più promettenti per la costruzione dei catodi sono ossidi di Mn, Ni, Co, i quali presentano una struttura cristallina piuttosto aperta con canali e spazi all’ interno dei quali si inseriscono facilmente gli ioni di Litio, mentre per l’anodo è molto utilizzata la grafite. Dal momento che gli ioni di Litio si legano più debolmente alla grafite che agli ossidi metallici, il loro spostamento verso il catodo è energeticamente favorito. Il voltaggio di circuito aperto dipende dalle energie necessarie al movimento sia degli elettroni che degli ioni di Litio.
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Componenti Principali delle Batterie al Litio
I LIB sono tipicamente costituiti da quattro parti principali: catodo, anodo, separatore ed elettrolita. I catodi e gli anodi sono i portatori di carica contribuendo allo stoccaggio e al rilascio di energia. Il separatore divide fisicamente gli elettrodi per evitare cortocircuiti interni consentendo il flusso di energia.
Struttura interna di una batteria
Pericoli e Fattori di Rischio
Quando una batteria si guasta, ciò può avere diversi risultati, ad es. sfiato, incendio o addirittura esplosione. Questi diversi pericoli sono stati classificati dal Consiglio europeo per la ricerca e lo sviluppo automobilistico (EUCAR). Quando si riscaldano le LIB, la loro pressione interna si accumula e alla fine la cella si rompe, se il gas rilasciato può accumularsi per creare un ambiente deflagrante, che viene incendiato provocando un'esplosione.
Cortocircuito Interno della Cella
La causa di guasto più pericolosa è quella di un cortocircuito interno della cella. Questo evento catastrofico può verificarsi molto improvvisamente e senza preavviso. Questo può essere il risultato di difetti di fabbricazione o danni fisici dovuti alla crescita dei dendriti o alla deformazione meccanica. Quando si verifica il cortocircuito interno, il danno che ne deriva è spesso grave. La cellula scarica la sua energia attraverso il cortocircuito. Quando la corrente elettrica passa attraverso il materiale conduttore, produce calore. Questo meccanismo può essere indicato come generazione di calore Joule. In questa zona, il riscaldamento rapido può innescare un ulteriore auto riscaldamento e un'instabilità termica.
Che il cortocircuito interno desta la maggior preoccupazione è chiaro che ciò è particolarmente inquietante se si tiene conto del fatto che questo tipo di guasto si verifica nelle batterie conformi agli standard del settore. Ciò è dovuto a errori di fabbricazione, come bave, disallineamento del pacchetto di elettrodi o separatori perforati.
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Disallineamento del pacchetto di elettrodi
Nello studio del comportamento delle celle LIB di grande formato, ovvero quelle utilizzate per applicazioni automobilistiche, e il loro comportamento durante un cortocircuito interno della cella, spiegano il meccanismo come la creazione di un anello di corrente all'interno di uno strato di elettrodi in cui si trova il cortocircuito. Quando si forma l'anello, l'energia viene scaricata attraverso questo strato di elettrodo, tuttavia, questo sollecita anche tutti gli altri strati, che generano una grande quantità di corrente a causa del cortocircuito. Questo riscalda l'intero modulo della batteria.
Deformazione Meccanica e Impatto
La deformazione meccanica può anche innescare un cortocircuito interno e potenzialmente provocare un incendio. Una forte deformazione può essere il risultato di determinate condizioni di urto o impatto con il suolo. Devono essere evitate gravi deformazioni del pacco batteria. Il sistema ad alta tensione può essere danneggiato, provocando cortocircuiti e archi elettrici e può anche causare la fuoriuscita di liquidi infiammabili e conduttivi.
Il rischio peggiore in un incidente d'auto sarebbe la combinazione di gas di scarico o perdite di fluidi con fonti di accensione come archi elettrici o superfici calde. Ciò potrebbe portare a uno scenario catastrofico che deve essere ritardato per consentire ai passeggeri, potenzialmente intrappolati, di fuggire dal veicolo.
La gravità dell'esito di un cortocircuito interno, derivante dalle condizioni di incidente, dipende da una moltitudine di fattori. Implica l'interazione tra il contatto meccanico, la generazione di calore e la scarica elettrica, che può o meno provocare un'instabilità termica. I pacchi batteria sono generalmente collocati in aree rigide e rinforzate delle autovetture.
Deformazione di una Batteria
Carica e Scarica
Le LIB sono progettate per ricevere e immagazzinare una certa quantità di energia in un determinato periodo di tempo. Quando questi limiti vengono superati, a causa di una carica troppo rapida o di un sovraccarico, le prestazioni della cella potrebbero peggiorare o addirittura la cella potrebbe non funzionare. Il livello di carica delle batterie è normalmente definito in termini di stato di carica (SOC). I loro limiti operativi possono essere definiti da 0-100%, il che significa che una batteria al 100% SOC è considerata completamente carica alla sua capacità nominale. Tuttavia, la piena capacità della batteria normalmente va oltre la sua capacità nominale, sia ai limiti superiore che inferiore.
Il sovraccarico può verificarsi quando la tensione della cella viene rilevata in modo errato dal sistema di controllo della carica, quando il carica batterie si guasta o quando ne viene utilizzato uno sbagliato. In caso di sovraccarico, il materiale dell'anodo può diventare eccessivamente litiato. Di conseguenza, l'intercalazione del litio cessa e i depositi di litio metallico sull'anodo. Questi depositi possono crescere in dita metalliche comunemente denominate "dendriti". Man mano che crescono, possono raggiungere il punto in cui penetrano nel separatore e provocano un cortocircuito interno. Al catodo accade il contrario. In questo caso, il sovraccarico può comportare la delitiziazione al punto in cui il catodo si decompone termicamente e genera calore.
Quando il LIB viene scaricato, gli ioni di litio fluiscono dal collettore di corrente negativa e dall'anodo al collettore di corrente positivo e al catodo. Tuttavia, se il livello di scarica diventa troppo elevato, il collettore di corrente negativa, costituito da rame, può dissolversi. Di conseguenza, nell'elettrolita vengono rilasciate piccole particelle di rame conduttive che aumentano il rischio di un cortocircuito interno. Può anche portare all'evoluzione di idrogeno e ossigeno, sfiato cellulare e placcatura sul catodo.
L'abuso di sovra scarica si verifica quando si scaricano le celle della batteria al di sotto della loro tensione minima. Nell'improbabile eventualità in cui quattro celle della batteria siano in serie e una di esse sia completamente scarica (0V), ciò potrebbe portare a un'ulteriore scarica della cella vuota. In questo caso la polarità della cella si inverte.
Runaway Termico
Il runaway o thermal runaway di una cella Litio-ione rappresenta l’evento indesiderato che porta alla rottura catastrofica della cella, con sviluppo di esplosione ed incendio: il cosiddetto “caso (di guasto) peggiore”. E’ necessario precisare cosa si intende con queste locuzioni. Innanzitutto, il termine runaway è riferito al corpo di reazioni chimiche non desiderate che porta alla decomposizione di una o più sostanze chimiche presenti in una cella Litio-ione. Tali reazioni sono reazioni fuggitive auto catalitiche o runaway reaction la cui esistenza è stata la fonte di incidenti gravissimi avvenuti nell’industria chimica di processo e il cui comportamento è stato studiato successivamente con tecniche calorimetriche.
Batteria incendiata
Fatica Meccanica
Gli elettrodi delle celle al litio si espandono e si contraggono durante la carica e la scarica a causa del effetto dell'intercalazione degli ioni di litio dentro e fuori la struttura cristallina degli elettrodi. Le sollecitazioni cicliche sugli elettrodi possono eventualmente portare alla rottura delle particelle che compongono l'elettrodo con conseguente aumento dell'impedenza interna, man mano che la cella invecchia, o nel peggiore dei casi, una rottura dello strato dell'anodo che potrebbe portare a un surriscaldamento immediato guasto cellulare.
Un processo simile, possibilmente aumentato dal rilascio accumulato di piccole quantità di gas dovuto al lento deterioramento dell'elettrolita ogni volta che viene sottoposto a cicli termici, potrebbe causare rigonfiamenti della cella e infine della rottura dell'involucro della cella.
Analisi Multi-scala di Celle Intere con Tomografia a Raggi X
La microscopia a raggi X, grazie alla sua natura non distruttiva, offre uno sguardo rivoluzionario all'interno delle batterie, permettendo agli ingegneri di esplorare la complessità senza danneggiare le celle. Attraverso avanzate tecniche di scansione con strumenti come l'impianto Comet-Yxlon FF20, è possibile ottenere immagini dettagliate di batterie automobilistiche cilindriche. L'analisi rivela la struttura generale, mentre le scansioni ad alta risoluzione svelano dettagli cruciali come la differenza tra gli strati degli elettrodi e la presenza di difetti. Questa metodologia non solo guida la produzione individuando difetti e valutando la qualità ma fornisce una visione dettagliata della microstruttura, fondamentale per migliorare la stabilità meccanica e la durata delle batterie.
Ogni tecnologia presentata offre un'immagine tridimensionale in scala di grigi, plasmata da voxel che catturano l'assorbimento dei raggi X negli elementi del volume 3D nella batteria. Questi voxel, simili ai pixel 3D, rappresentano l'intensità dell'assorbimento e vengono archiviati come rappresentazione numerica. La distribuzione della scala di grigi riflette la densità dei materiali nella batteria, offrendoci uno sguardo dettagliato. Le immagini possono spaziare dall'intera batteria a singoli sottovolumi, fornendo dati preziosi in diverse posizioni e risoluzioni. L'allineamento preciso tra le immagini è garantito, consentendo una visualizzazione impeccabile attraverso software dedicati. La registrazione delle immagini facilita la co-visualizzazione, aprendo nuovi orizzonti di comprensione. Gli algoritmi di segmentazione entrano in gioco, rivelando strati specifici nella batteria e assegnando colori distinti a catodi, anodi e collettori metallici.
Per soddisfare queste esigenze avanzate, puoi contare su pacchetti software commerciali e open source.
Assemblaggio Precisione per Batterie Potenzianti
Immergersi nell'assemblaggio delle celle della batteria rivela un mondo di precisione e vigilanza cruciale. La cattura di immagini a macro-scala non è solo una pratica, è una scienza. Questo processo critico non solo fornisce parametri di progettazione, ma decodifica il DNA delle batterie, esponendo possibili sfide. Nei meandri della produzione, l'allineamento preciso di anodo e catodo, la deviazione degli anodi e la forma degli elettrodi diventano punti focali di scrutinio. Un elettrodo piegato si trasforma da imperfezione apparente a potenziale detonatore di cortocircuito, catapultando la batteria nel rischio di guasto. La danza delicata tra spessori di anodo e catodo è osservata attentamente, mentre le linguette del collettore diventano il delicato ponte tra il cuore elettronico della batteria e il mondo esterno. Un'allineamento errato, una temperatura sballata: la ricetta per un potenziale disastro.
In un'epoca in cui le batterie guidano auto attraverso avversità climatiche, l'assemblaggio robusto diventa imprescindibile. Vibrazioni, temperature estreme - le batterie affrontano prove titaniche. L'assenza di inclusioni metalliche è cruciale, così come un'elettronica impeccabile, determinante per la longevità del modulo batteria.
Quando la batteria prende vita, un nuovo capitolo inizia. Cicli di ricarica, onde di stress sugli elettrodi - qui la vita della batteria è messa a nudo. La micro-deformazione degli elettrodi, la delaminazione dai collettori: l'inizio della fine o la nascita di nuove sfide? Guardando oltre l'apparenza, la Tomografia Computerizzata a raggi X emerge come il custode invisibile. Rivela, senza distruggere, la salute delle LIB ricaricabili.
E così, nel mondo delle celle e moduli batteria, la precisione dell'assemblaggio diventa il baluardo contro il deterioramento e la sicurezza a lungo termine.
Caricabatterie NE287
L’NE287 è un caricabatterie per accumulatori al piombo, gel, litio e AGM. Le batterie devono avere una tensione nominale di 12V ed una capacità adeguata alla corrente del caricabatterie (verificare la compatibilità della massima corrente di carica con la scheda tecnica della batteria che si intende collegare per l’utilizzo). L’NE287 funziona anche come alimentatore.
Modalità Alimentatore
NE287 funziona come alimentatore quando è presente la tensione di rete 230V ma non è installata o collegata alcuna batteria servizi. In questa modalità la tensione di uscita è fissa a 13,8V con corrente massima di 17A (230W max) o 21A (290W max). In questa modalità lampeggia il LED verde.
Modalità Caricabatterie
Se è presente la batteria e viene alimentato a tensione di rete, l’NE287 funziona come carica batterie (se è stato selezionato l’algoritmo per batterie al litio, l’NE287 funziona come carica batterie anche se non rileva la batteria all’accensione). Tramite il DIP switch è possibile scegliere l’algoritmo di carica a seconda del tipo di batteria. All’accensione lampeggia il LED verde ad indicare quale algoritmo di carica è stato selezionato attraverso i DIP switch. Il caricabatterie impiega una combinazione di carica a corrente costante e tensione costante, questo permette di ridurre in maniera significativa il tempo di carica e di non danneggiare le batterie anche se il carica batteria è permanentemente collegato alla rete 230V.
Protezioni:
- Corto circuito
- Sovraccarico
- Sovratensione in uscita
- Sovratemperatura
Tabella riassuntiva delle caratteristiche del caricabatterie NE287:
| Caratteristica | Valore |
|---|---|
| Tipo di batteria | Piombo, Gel, Litio, AGM |
| Tensione nominale | 12V |
| Funzioni | Caricabatterie e alimentatore |
| Tensione di uscita (modalità alimentatore) | 13.8V |
| Corrente massima (modalità alimentatore) | 17A (230W max) o 21A (290W max) |
Manutenzione delle Batterie LiPo
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