Batterie
M.Cricchio, A.Pafundi
(*) A.Boyali (*) - Linguistic Mediator: G.Galdo (*)
|
(*) Istituto Alfano
I - (**) Istanbul Technical University
|
Summary
Nei veicoli HEV e HSV il sistema di accumulo dell’ energia riveste un’
importanza fondamentale. In questo paragrafo vedremo che cos’è una batteria,
i vari tipi di batteria, a che cosa serve, come scegliere quella più appropriate
all’ applicazione, che cos’è un regolatore di carica e qual’ è la sua
importanza nel sistema di ricarica.
Che cos’è una batteria?
Tutti i circuiti elettrici hanno una sorgente di energia. In casa i circuiti
utilizzano l’energia elettrica prodotta dalle centrali. I flash fotografici,
i cellulari e le radio portatili utilizzano l’energia elettrica delle
batterie. In campo scientifico – tecnologico la batteria è un apparecchio
che conserva energia e la rende disponibile sotto forma di elettricità.
Classificazione delle batterie.
Le batterie possono essere fisiche e chimiche. Le batterie chimiche sono
quelle ricaricabili. Ci sono vari tipi di batterie ricaricabili come quelle
al piombo-acido, usate sulle automobili, e quelle di piccole dimensioni,
al nichel-cadmio. Ci sono anche batterie ibride al metallo-nichel e quelle
al litio-ioni.
Scelta della batteria più appropriata
Il sistema di accumulo (la batteria e il sistema connesso) è molto importate
perché, distribuisce l’ energia mentre se ne accumula durante la guida.
Le batterie sono anche chiamate generatori secondari. Ci sono molte specie
di batterie. E’ molto importante scegliere il giusto tipo a seconda dell’
applicazione. Ad esempio in un’auto elettrica, abbiamo alcune importanti
considerazioni da tenere in conto come :
- Ricaricabile o no: in un’auto elettrica
sono necessarie le batterie ricaricabili per non cambiare il pacco dopo
ogni scarica
- Peso: tenere conto del peso è un
fattore primario nel progetto. Diventa importante scegliere batterie
di basso peso per un’auto elettrica.
- Densità di energia: questa caratteristica
rappresenta la quantità di energia accumulate in rapporto al peso, è
dunque preferibile usare batterie con alte densità di energia.
- Durata in cicli: parametro tipico
delle batterie ricaricabili e ci dice quante volte possiamo ricaricare
la batteria. Così, usando una batteria con alta durata in cicli possiamo
ridurne il costo.
- Voltaggio: Alcuni tipi di batterie
non sono capaci di dare alti voltaggi. Dobbiamo dunque considerare se
il pacco batterie raggiunge il voltaggio richiesto.
- Sicurezza: Relativamente alle condizioni
ambientali (temperatura, umidità …) alcune batterie possono esplodere
causando danni. Le condizioni ambientali sono dunque un altro fattore
da considerare nella scelta della batteria.
- Effetto Memoria: L’effetto memoria è una caratteristica (indesiderata)
delle batterie ricaricabili al Nichel Cadmio e delle batterie ibride
al Nichel Metallo che limita l’entità della ricarica con il passare
del tempo.
Le prestazioni attuali per i vari tipi di accumulatori sono riportate
in tabella
System |
Voltage |
Energy |
Autodiscarging |
Number of Cycles |
Comments |
Pb-Acid |
2.05 |
35-40 |
4 |
300-500 |
Low cost |
Ni-Cd |
1.2 |
40-60 |
10-20 |
1000-1500 |
Memory effect |
Ni-MeH |
1.2 |
60 |
30 |
300-500 |
Low memory effect |
Li-ion |
3.6 |
115 |
5-10 |
500-1000 |
No memory effect |
Zn-aria |
1.2 |
145 |
5 |
- |
- |
Data from: C.A. MATTIA - Termodinamica Chimica 2005 – Universita’ degli
Studi di Salerno
Esaminiamo ora alcuni tipi di batteria tra quelle piu’ promettenti in
un immediato futuro.
Batteria Li-ioni
I sistemi di accumulo con le maggiori potenzialità di sviluppo e attuali
ottime prestazioni sono le batterie al Li-ioni. Sono ancora costose a
causa del costo dei materiali (catalizzatori) necessari a velocizzare
le reazioni elettrochimiche.
Esse hanno:
- Ottima efficienza di conversione
- Semplicità di funzionamento
- Elevata energia specifica.
|
Structure
of a Li-Ion Battery |
Una batteria li-ione ha:
- struttura a spirale
- lamine avvolte su se stesse
- ossido di litio su un polimero conduttore al carbonio caratterizzato
da minuscole cavità
- anche il catodo contiene litio nella struttura reticolare di materiali
(in genere ossidi) che presentano microcavità
- non presentano effetto memoria.
Esse hanno un elevato rapporto energia/peso e non presentano effetto
memoria.
|
Schema
di lavoro di una cella Li-Carbonio |
L'elettrodo negativo si basa sulla grafite naturale altamente cristallina
con piccole quantità (2-3%) di materiali leganti che aiutano a formare
strati di ~100 micron su una lamina sottile (o rete) di rame. L'elettrodo
positivo è basato, come detto su LiMn2-xMnxO4 (con x~0,05) e viene supportato
su lamina (o rete) d'alluminio in strati di 100-150 micron. Fra catodo
e anodo si interpone uno strato di separatore (lana di vetro o polietilene
microporoso) imbevuto di una soluzione non acquosa (ad esempio LiClO4)
in etilencarbonato/dimetilcarbonato. Il pacchetto elettrodi-separatore
viene poi arrotolato ed inserito in un contenitore cilindrico. La soluzione
viene aggiunta in atmosfera inerte, per evitare la contaminazione dovuta
all'umidità atmosferica che porterebbe al deterioramento soprattutto della
grafite. Una volta assemblata la cella, e prima della sua chiusura ermetica,
si esegue un processo di formazione consistente in una carica lenta e
conseguente deposizione sulla grafite di un film passivante che assicura
i successivi cicli di ricarica della batteria. Durante questa fase si
sviluppano gas (soprattutto CO2) e per questo motivo la batteria viene
sigillata solo a fine carica. Sono stati utilizzati anche anodi di Graphite
Intercalation Compounds (GIC) alternativi alla grafite. Elettrodi costituiti
da KC8, ad esempio, durante la prima scarica rilasciano irreversibilmente
potassio dando origine ad una “grafite espansa” che nei cicli successivi,
si comporta come grafite naturale ottenendo così una cinetica più veloce
.
Batteria Li-polimeri
Una batteria li-polimeri non è molto diversa dalla li-ioni. L’elettrolita
anziché essere una soluzione organica (quindi un liquido) è un polimero
solido conduttivo con il vantaggio che la batteria è completamente asciutta.
Regolatori di carica
In molte applicazioni, usiamo batterie ricaricabili, perciò, le caratteristiche
di carica-scarica sono molto importanti per la sicurezza e l’efficienza
della batteria. A causa di ciò, sono necessari delle apparecchiature che
carichino appropriatamente in relazione alla caratteristica e prevengano
la carica eccessiva e la scarica totale del sistema. Queste apparecchiature
vengono chiamate “regolatori di carica”. Esistono vari tipi con differenti
caratteristiche. Alcuni regolatori di carica determinano prima il tipo
di batteria da caricare. Dopo questo, usano un algoritmo di carica appropriato
per quella batteria. Così, questi tipi di regolatori di carica sono capaci
di caricare più di un tipo di batteria. Per il loro utilizzo è necessario
considerare il voltaggio e la corrente massima erogabile.
References
Douglas R. Carol, 2003, “The Winning Solarcar”, 1.Edition
Links
http://www.energoclub.it/doceboCms/page/261/Accumulatori%2C_batterie.html
http://www.area.fi.cnr.it/r&f/n4/pistoia.htm
http://www.unicam.it
http://www.fi.cnr.it
http://www.cpo.com/pdf/Physics%20First/EBook/PFC%20U5.pdf
http://www.batteryuniversity.com/partone-3.htm
http://www.speedace.info/lithium_ion_electric_car.htm
http://www.greencarcongress.com/2005/11/a123systems_lau.html
http://www.solarnavigator.net/batteries.htm
http://www.electricitystorage.org
http://www.e-mobile.ch/pdf/2005/Subat_WP5-006.pdf
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