Batterie

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

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.

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.

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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