Batterie lifepo4 camper: come ricaricarle e vivere felici

Tutti hanno, intrappolata dentro di sé, dell’energia. Il fatto è che non siamo molto bravi a tirarla fuori – Bill Bryson

Torniamo a parlare di batterie LiFePo4 per camper pubblicando un mega articolo dedicato alla ricarica e gestione di questi “sistemi”. Argomento tecnico, in cui io stesso mi sto avventurando sempre più a fondo sia per dare supporto agli iscritti ai nostri gruppi di acquisto, sia perché, da felice proprietario di una batteria LiFePo4 da 250 ah (3 Kw di energia nominale), devo per forza di cose capire con esattezza come funzionano la ricarica, la scarica, la conservazione e non solo… In vista dell’inverno e dei primi freddi (le basse temperature, come le alte temperature, rappresentano un potenziale nemico delle LiFePo4), ho pensato di tradurre un super articolo a riguardo, forse il migliore disponibile oggi online in lingua inglese.

Ad averlo scritto non è il solito italiano-camperista-ciappinaro-nomade-digitale, bensì un ingegnere canadese con un master in ingegneria elettrica presso la Twente University e un master in ingegneria biomedica presso la Duke University, titolare della socieà e ecommerce Solacity dal quale ho appunto tradotto per filo e per segno questo articolo (titolo originale: How to Find Happiness With LiFePO4 (Lithium-Ion) Batteries). Sono sicuro che questa risorsa, insieme alle altre da me prodotte finora anche sul canale Youtube alla playlist Incontri ravvicinati del terzo LITIO, potrà fornire un contributo reale al tema batterie LiFePo4 in camper, argomento tuttora oggetto di giudizi abbastanza aleatori e superficiali. In rosso i commenti personali che mi sono divertito ad aggiungere. Buona lettura!

*************************************************

COME TROVARE LA FELICITA’ CON LE BATTERIE LIFEPO4

Hai appena rimodellato la casa e acquistato una batteria agli ioni di litio! Ora vuoi sapere come prenderti cura del tuo prezioso nuovo acquisto: come caricare al meglio le batterie al litio-ferro-fosfato, come scaricarle e come ottenere la massima durata dalle batterie agli ioni di litio. Questo articolo spiegherà cosa fare e cosa non fare.

I prezzi delle batterie agli ioni di litio stanno lentamente cambiando da vergognosamente costosi a moderatamente accessibili, e noi di Solacity stiamo assistendo a un costante aumento delle vendite di questo tipo di batteria. La maggior parte degli utenti sembra metterli al lavoro su camper, caravan e veicoli simili, mentre alcuni stanno adottando veri e propri sistemi fissi off-grid.

Questo articolo parlerà di una categoria specifica di batterie agli ioni di litio: le Litio-ferro-fosfato o LiFePO4 (nella sua formula chimica), abbreviato anche come batterie LFP. Queste batterie sono un po’ diverse da quelle che hai nel tuo cellulare e laptop: quelle sono (principalmente) batterie al litio-cobalto. Il vantaggio delle LiFePo4 è che sono molto più stabili e NON SOGGETTE ad autocombustione [alleluja, qualcuno che lo scrive nero su bianco]. Ciò non significa che la batteria non possa bruciarsi in caso di danni: c’è molta energia immagazzinata in una batteria carica e in caso di scarica non pianificata i risultati possono diventare molto interessanti… molto rapidamente! La LiFePO4 dura anche più a lungo rispetto al litio-cobalto, ed è più stabile alla temperatura. Di tutte le varie tecnologie di batterie al litio disponibili, questo rende le LiFePO4 più adatte per applicazioni a ciclo profondo!

Supponiamo che la batteria abbia un BMS o un sistema di gestione della batteria, come quasi tutte le batterie LiFePO4 che vengono vendute come pacco da 12/24/48 Volt. Il BMS si occupa di proteggere la batteria; scollega la batteria quando è scarica o minaccia di essere sovraccarica. Il BMS si occupa anche di limitare le correnti di carica e scarica, monitora la temperatura delle celle (e riduce la carica / scarica se necessario) e, nella maggior parte dei casi, di bilanciare le celle ogni volta che viene eseguita una carica completa (pensa al bilanciamento come portando tutte le celle all’interno del batteria allo stesso stato di carica, simile all’equalizzazione per una batteria al piombo-acido). A meno che non ti piaccia vivere al limite, NON ACQUISTARE una batteria senza BMS!

Quella che segue è la conoscenza emersa dalla lettura di un gran numero di articoli Web, pagine di blog, pubblicazioni scientifiche e discussioni con i produttori di LiFePO4. Fai attenzione a ciò in cui credi, c’è molta disinformazione là fuori! Mentre ciò che scriviamo qui non è in alcun modo inteso come la guida definitiva alle batterie LiFePO4, la nostra speranza è che questo articolo tolga di mezzo gli escrementi bovini e fornisca solide linee guida per ottenere il massimo dalle batterie agli ioni di litio.

PERCHE’ GLI IONI DI LITIO?

Abbiamo spiegato nel nostro articolo sulle batterie al piombo acido come il tallone d’Achille di quella chimica sia rimasta la carica parziale per troppo tempo. È troppo facile caricare una costosa batteria al piombo acido in pochi mesi lasciandola a carica parziale. Questo è molto diverso per una LiFePo4! Puoi lasciare le batterie agli ioni di litio a una carica parziale per sempre senza danni. In effetti, la LiFePo4 preferisce una carica parziale piuttosto che una carica o una scarica completa, e per la longevità è meglio far lavorare la batteria o lasciarla a carica parziale.

Ma aspetta! C’è dell’altro!

Le batterie agli ioni di litio sono quasi il santo graal delle batterie: con i giusti parametri di carica puoi quasi dimenticarti che esiste la tua batteria [qui l’autore vuole spiegare che le LiFePo4 non prevedono praticamente alcuna attività di manutenzione, confermo]. Non c’è manutenzione. Il BMS se ne occuperà e potrai felicemente partire!

Ma aspetta! C’è ancora di più! (Qualsiasi somiglianza con alcune pubblicità è puramente casuale)…

Le batterie LiFePo4 possono anche durare a lungo. Le nostre batterie LiFePo4 Battle Born sono classificate a 3000 cicli, con un ciclo di carica / scarica completo al 100%. Se lo facevi ogni giorno, potrai usare le tue batterie per oltre 8 anni! La durata sarà quindi ancora maggiore se usiamo le batterie con cicli inferiori al 100%, infatti per semplicità puoi usare una relazione lineare: cicli di scarica del 50% significano il doppio dei cicli, mentre con cicli di scarica del 33% puoi ragionevolmente aspettarti tre volte i cicli normali.

Ma aspetta! C’è ancora di più! …

Una batteria LiFePO4 pesa anche meno di metà di una batteria al piombo acido di capacità simile. Può gestire grandi correnti di carica (il 100% della classificazione Ah non è un problema, provalo con acido al piombo!), consentendo una ricarica rapida. Le batterie LiFePo4 sono infine sigillate in modo che non ci siano fumi, e hanno un tasso di autoscarica molto basso ( 3% al mese o meno).

IL COSTO DELLE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO VS ACIDO AL PIOMBO

Mentre scrivo, la nostra batteria Battle Born 12V 100Ah costa $ 1.200 dollari canadesi. L’intero amperaggio (100 Ah) è certamente utilizzabile, quindi ciò fa 12 x 100 = 1.200 Watt-ora in accumulo di energia, ovvero $ 1 per Wh in accumulo di energia utilizzabile.

Una delle nostre batterie al piombo-acido a “scarica profonda” è la Rolls / Surrette S-550, che attualmente costa $ 433 per 6V 428 Ah. Con acido al piombo hai un ragionevole 80% di amperaggio utilizzabile, perché sfruttare l’ultimo 20% di accumulo di energia è il sistema migliore per provocare danni permanenti alla batteria, quindi abbiamo 6 x 428 x 0,8 = 2,054 Wh in accumulo di energia. Ciò significa 433/2054 = $ 0,21 per Wh in accumulo di energia utilizzabile.

Qui è dove dici “aspetta un minuto, quelle dannate batterie al litio sono quasi cinque volte il prezzo del piombo acido!!”. Immediatamente seguito da “ma ne voglio ancora uno!”… E hai ragione: non abbiamo ancora capito la differenza nella durata della batteria.

La Surrette S-550 è valida per circa 1300 cicli con DOD (Depth-of-scarica) del 50%, mentre Battle Born eseguirà 6000 cicli con lo stesso DOD del 50%. Ciò significa che la batteria agli ioni di litio durerà circa 4,6 volte di più! Nel corso della vita di un singolo set di batterie LiFePo4, il costo per Wh utilizzabile per l’acido di piombo è ora pari a 4,6 x 0,21 = $ 0,97, quasi lo stesso degli ioni di litio! C’è molto di più: nella vita reale poche persone riescono a ottenere il ciclo completo delle batterie al piombo-acido. È troppo facile maltrattarle e partire prematuramente per il paradiso delle batterie. [passaggio che non sono riuscito a tradurre, ma che riassume le operazioni necessarie per avere cura delle batterie al piombo-acido]. Niente di tutto ciò è necessario per le batterie agli ioni di litio!

Scommettiamo a questo punto che sei disposto a sostituire il tuo acido al piombo con batterie agli ioni di litio!

DIMENSIONI DI UN BANCO BATTERIE LIFEPO4

Abbiamo accennato a quanto sopra: le batterie agli ioni di litio hanno una capacità utilizzabile al 100%, mentre l’acido al piombo finisce davvero all’80% [io per stare larghi direi anche al 60%, ma qui dipende molto dalla qualità della batteria]. Ciò significa che è possibile dimensionare un banco di batterie LiFePo4 più piccolo di un banco di piombo acido e farlo funzionare allo stesso modo. I numeri suggeriscono che la LiFePo4 può corrispondere all’80% della dimensione Amp-ora del piombo-acido. C’è di più di questo però.

Per la longevità, le batterie al piombo-acido non devono essere dimensionate laddove vedono regolarmente scariche al di sotto del 50% di SOC. Con le LiFePo4 questo non è più un problema! L’efficienza energetica di andata e ritorno è anche leggermente migliore rispetto all’acido di piombo, il che significa che è necessaria meno energia per riempire il serbatoio dopo un certo livello di scarico. Ciò si traduce in un recupero più rapido fino al 100%, considerando di avere già un banco batteria più piccolo, e rafforzando ulteriormente questa ottimizzazione dello spazio.

Il risultato è che saremo a nostro agio nel dimensionare un banco di batterie agli ioni di litio al 75% delle dimensioni di un banco di piombo acido equivalente, aspettandoci le stesse (o migliori!) prestazioni. Compreso in quei bui giorni invernali quando il sole scarseggia.

MA ASPETTA UN MINUTO!

Anche la temperatura è un problema. La più grande causa singola dell’invecchiamento delle batterie è l’uso o anche solo lo stoccaggio ad alte temperature. Fino a circa 30 gradi centigradi non ci sono problemi. Anche 45 gradi centigradi non comportano una penalità eccessiva. Qualunque cosa più alta accelera davvero l’invecchiamento e, in definitiva, la fine della batteria. Ciò include la conservazione della batteria quando non viene utilizzata. Ne parleremo più dettagliatamente in seguito, quando discuteremo di come le batterie LiFePo4 si guastano.

C’è un problema subdolo che può insorgere quando si usano fonti di carica che potenzialmente forniscono un’alta tensione: quando la batteria è carica, la tensione aumenta, a meno che la fonte di carica non smetta di caricarsi. Se si alza abbastanza, il BMS proteggerà la batteria e la scollegherà, lasciando che la fonte di ricarica aumenti ancora di più! Questo può essere un problema con i (cattivi) regolatori di tensione dell’alternatore per auto, che devono sempre vedere un carico o la tensione aumenterà e i diodi rilasceranno il loro fumo magico [attenzione a questo punto, per la ricarica da alternatore è importante usare dispositivi specifici, ad esempio il battery to battery charger della Sterling Power!]. Questo può anche essere un problema con le piccole turbine eoliche che si affidano alla batteria per tenerle sotto controllo: nel momento in cui l’elettronica di controllo non è più alimentata, può andare fuorigiri (runaway) e quindi autodistruggersi.

Poi c’è quel prezzo di acquisto iniziale!

Ma scommettiamo che ne vuoi ancora uno!

COME LAVORA UNA BATTERIA LIFEPO4?

Le batterie agli ioni di litio sono indicate come un tipo di batteria a “sedia a dondolo”: spostano gli ioni, in questo caso ioni di litio, dall’elettrodo negativo a quello positivo quando si scaricano e viceversa quando si caricano. Il disegno sotto mostra cosa sta succedendo all’interno. Le palline rosse sono gli ioni di litio, che si muovono avanti e indietro tra gli elettrodi negativo e positivo.

Sul lato sinistro è l’elettrodo positivo, costruito con litio-ferro-fosfato (LiFePO4). Questo dovrebbe aiutare a spiegare il nome di questo tipo di batteria! Gli ioni ferro e fosfato formano una griglia che intrappola liberamente gli ioni litio. Quando la cellula si carica, quegli ioni di litio vengono tirati attraverso la membrana nel mezzo, verso l’elettrodo negativo sulla destra. La membrana è costituita da un tipo di polimero (plastica), con molti piccoli pori, che facilita il passaggio degli ioni di litio. Sul lato negativo troviamo un reticolo fatto di atomi di carbonio, che può intrappolare e trattenere quegli ioni di litio che si incrociano.

La scarica della batteria fa la stessa cosa al contrario: quando gli elettroni fluiscono via attraverso l’elettrodo negativo, gli ioni litio si spostano di nuovo, attraverso la membrana, di nuovo al reticolo ferro-fosfato. Vengono nuovamente riposti sul lato positivo fino a quando la batteria non viene ricaricata nuovamente.

Se stai davvero prestando attenzione, ora capisci che l’immagine sopra mostra una batteria LiFePo4 che è quasi completamente scarica. Quasi tutti gli ioni di litio si trovano sul lato dell’elettrodo positivo. Una batteria completamente carica avrebbe quegli ioni di litio tutti immagazzinati all’interno del carbonio dell’elettrodo negativo.

Nel mondo reale le celle agli ioni di litio sono costruite con strati molto sottili di fogli di alluminio alternati polimero – rame, con le sostanze chimiche incollate su di essi. Spesso vengono arrotolati come un rotolo di gelatina e inseriti in un contenitore d’acciaio, proprio come una batteria AA. Le batterie agli ioni di litio da 12 Volt acquistate sono costituite da molte di quelle celle, collegate in serie e in parallelo per aumentare la capacità di tensione e Amp-ora. Ogni cella è di circa 3,3 Volt, quindi 4 di loro in serie producono 13,2 Volt. Questa è la giusta tensione per sostituire una batteria al piombo-acido da 12 Volt!

CARICA DI UNA BATTERIA LIFEPO4

La maggior parte dei normali regolatori di carica solare non ha problemi a caricare le batterie agli ioni di litio. Le tensioni necessarie sono molto simili a quelle utilizzate per le batterie AGM (un tipo di batteria al piombo-acido sigillata). Il BMS, assicurandosi che le celle della batteria vedano la giusta tensione, evita che queste si sovraccarichino o si scarichino eccessivamente, bilancia le celle e garantisce che la temperatura delle celle sia ragionevole durante il loro caricamento.

Il grafico seguente mostra un profilo tipico di una batteria LiFePO4 che si carica. Per facilitare la lettura delle tensioni sono state convertite in quello che vedrebbe un pacco batteria LiFePo4 da 12 Volt (4x la tensione a cella singola).

Nel grafico è mostrata una velocità di carica di 0,5 ° C, ovvero metà della capacità di Ah, in altre parole per una batteria da 100 Ah questa sarebbe una velocità di carica di 50 Amp. La tensione di carica (in rosso) non cambierà molto per velocità di carica più alte o più basse (in blu), le batterie LiFePo4 hanno una curva di tensione piuttosto lineare.

Le batterie agli ioni di litio vengono caricate in due fasi: in primo luogo la corrente viene mantenuta costante o con il solare fotovoltaico che generalmente significa che proviamo a inviare la maggior quantità di corrente nelle batterie disponibile dal sole. La tensione aumenterà lentamente durante questo periodo, fino a raggiungere la tensione di “assorbimento”, 14,6 V nel grafico sopra. Una volta raggiunto l’assorbimento, la batteria è piena per circa il 90% e per riempirla per tutto il tempo in cui la tensione viene mantenuta costante mentre la corrente si assottiglia lentamente. Una volta che la corrente scende a circa il 5% – 10% degli Ah della batteria, questa risulta al 100% in stato di carica.

Per certi versi una batteria agli ioni di litio è più facile da caricare rispetto a una batteria al piombo acido: fintanto che la tensione di carica è abbastanza elevata da spostare gli ioni, si carica. Alle batterie agli ioni di litio non importa se non sono completamente cariche al 100%, in realtà durano più a lungo se non lo sono. Non c’è solfatazione, non c’è equalizzazione, il tempo di assorbimento non ha davvero importanza, non si può davvero sovraccaricare la batteria e il BMS si occupa di mantenere le cose entro limiti ragionevoli [di nuovo: l’importanza di un buon BMS, compreso nelle nostre batterie LiFePo4 dei gruppi di acquisto!].

Tensione di carica necessaria

Quindi: quale tensione è sufficiente per far muovere quegli ioni? Un piccolo esperimento mostra che 13,6 Volt (3,4 V per cella) è il punto di interruzione; al di sotto di questo accade ben poco, mentre al di sopra di questo la batteria si riempie almeno del 95% in un tempo sufficiente. A 14,0 Volt (3,5 V per cella) la batteria si carica facilmente fino al 95+ percento con poche ore di assorbimento di tempo e a tutti gli effetti c’è poca differenza nella carica tra 14,0 o tensioni superiori, le cose accadono solo un po ‘più velocemente a 14,2 Volt e oltre.

Bulk / Absorb Voltage

Per riassumere, un’impostazione di massa / assorbimento compresa tra 14,2 e 14,6 Volt funzionerà alla grande con le LiFePO4! È possibile anche una riduzione, fino a circa 14,0 Volt, con l’aiuto di un po’ più di tempo di assorbimento. Sono possibili tensioni leggermente più elevate, il BMS per la maggior parte delle batterie consentirà circa 14,8 – 15,0 Volt prima di scollegare la batteria. Tuttavia, non vi è alcun vantaggio per una tensione più elevata e un rischio maggiore di essere tagliati dal BMS, e possibilmente di riscontrare danni.

Tensione a galleggiante (float voltage)

Le batterie LiFePo4 non devono essere “flottate”. I regolatori di carica hanno questo perché le batterie al piombo hanno un così alto tasso di autoscarica che ha senso continuare a erogare più carica per renderle felici. Per le batterie agli ioni di litio non è eccezionale se la batteria si trova costantemente in uno stato di carica elevato, quindi se il controller di carica non è in grado di disabilitare la modalità di floating, impostatelo su un voltaggio abbastanza basso da non verificarsi alcuna ricarica effettiva. Qualsiasi tensione di 13,6 Volt o inferiore sarà opportuna per ottenere questo risultato [capito? Se il vostro regolatore non può non lavorare con il float voltage o non offre la possibilità di abbassare al minimo la soglia di tensione, cambiate regolatore e usate ad esempio i modelli Victron della serie Smart Blue Solar!].

Equalizza la tensione

Con tensioni di carica superiori a 14,6 Volt sconsigliate, dovrebbe essere chiaro che non è necessario eseguire l’equalizzazione di una batteria agli ioni di litio! Se l’equalizzazione non può essere disabilitata, impostarla su 14,6 V o meno, quindi diventa solo un normale ciclo di carica di assorbimento.

Tempo di assorbimento

C’è molto da dire semplicemente impostando la tensione di assorbimento su 14,4 V o 14,6 V, quindi interrompere la carica una volta che la batteria ha raggiunto quella tensione! In breve, zero (o un breve) tempo di assorbimento. A quel punto la batteria sarà carica per circa il 90%. Le batterie LiFePO4 saranno più felici a lungo termine quando non rimangono al 100% SOC per troppo tempo, quindi questa pratica prolungherà la durata della batteria. Se devi assolutamente avere il 100% di SOC nella tua batteria, allora l’assorbimento lo farà! Ufficialmente questo viene raggiunto quando la corrente di carica scende al 5% – 10% della potenza Ah della batteria, quindi 5-10 Amp per una batteria da 100 Ah. Se non è possibile interrompere l’assorbimento in base alla corrente, impostare il tempo di assorbimento a circa 2 ore al giorno.

Compensazione della temperatura

Le batterie LiFePO4 non necessitano di compensazione della temperatura! Si prega di spegnerlo nel controller di carica, altrimenti la tensione di carica si spegne selvaggiamente quando fa molto caldo o freddo.

Assicurati di controllare le impostazioni della tensione del tuo controller di carica rispetto a quelle effettivamente misurate con un multimetro digitale di buona qualità! Piccoli cambiamenti nella tensione possono avere un grande impatto quando si carica una batteria agli ioni di litio! Modificare le impostazioni in accordo con questo principio!

SCARICA DI UNA BATTERIA LIFEPO4

A differenza delle batterie al piombo acido, la tensione di una batteria agli ioni di litio rimane molto costante durante la scarica. Ciò rende difficile indovinare lo stato di carica dalla sola tensione [confermo: sto effettuando ancora i miei test ma vedo che nessun dispositivo “tradizionale”, inclusi i multimetri, è in grado di interpretare lo stato di carica della batteria al litio. Ecco spiegato il motivo]. Per una batteria con un carico moderato, la curva di scarica è la seguente.

Il più delle volte durante la scarica, la tensione della batteria sarà di circa 13,2 Volt. Varia da appena 0,2 Volt fino al 99% al 30% di SOC. Non molto tempo fa era una Very Bad Idea™ scendere al di sotto del 20% SOC per una batteria LiFePO4. Ciò è cambiato e l’attuale raccolto di batterie LiFePo4 si scarica abbastanza allegramente fino allo 0% per molti cicli. Tuttavia, ci sono vantaggi evidenti nella scarica meno profonda. Non è solo che una scarica al 30% di SOC ti porterà 1/3 di cicli in più rispetto a una scarica fino allo 0%, probabilmente la tua batteria vivrà per più cicli di così. I numeri difficili sono, beh, difficili da trovare, ma un ciclo di scariche al 50% SOC sembra mostrare circa 3 volte la durata del ciclo rispetto a scariche al 100%.

Di seguito è riportata una tabella che mostra la tensione della batteria per un pacco batteria da 12 Volt rispetto alla profondità di scarica. Prendi questi valori di tensione con le pinze, la curva di scarica è così piatta che è davvero difficile determinare SOC dalla sola tensione.

STOCCAGGIO DELLE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO

Il bassissimo tasso di autoscarica facilita la conservazione delle batterie al litio, anche per periodi più lunghi. Non è un problema riporre una batteria agli ioni di litio per un anno, assicurati solo che sia carica prima di riporla. Qualcosa tra il 50% e il 60% è l’ideale, ciò darà alla batteria molto tempo prima che l’autoscarica porti la tensione vicino al punto pericoloso.

Conservare le batterie sotto lo zero va bene, anche a temperature molto basse come -40 gradi centigradi (che è lo stesso in Fahrenheit), o anche meno! L’elettrolita nelle cellule LiFePO4 non contiene acqua, quindi anche quando si congela (che si verifica intorno a -40 gradi centigradi, a seconda della particolare formulazione) non si espande e non danneggia le cellule. Lascia che la batteria si riscaldi un po ‘prima di iniziare a scaricarla di nuovo, il che è OK a -20 gradi centigradi e oltre. Vedrai una perdita apparente di capacità quando si scarica a temperature sotto lo zero che si inverte quando la batteria supera lo zero e si verifica un effetto leggermente accelerato sull’invecchiamento. La loro conservazione a basse temperature è sicuramente molto meglio della conservazione a temperature elevate: l’invecchiamento rallenta notevolmente a basse temperature. Cerca di evitare di conservarli a 45 gradi centigradi e oltre, e cerca di evitare di riporle completamente cariche, se possibile (o quasi vuote).

Se è necessario conservare le batterie per periodi più lunghi, assicurarsi di scollegare semplicemente tutti i cavi. In questo modo non possono esserci carichi vaganti che scaricano lentamente le batterie.one. Piccole variazioni di carico e accuratezza del voltmetro rendono vana o quasi la misurazione [quello che scrivevo sopra].

LA FINE DELLE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO

Ti sentiamo sussultare per l’orrore: il pensiero che la tua preziosa batteria al litio smetta di funzionare ti fa rabbrividire! Ahimè, tutte le cose buone alla fine devono finire. Ciò che vogliamo prevenire è una fine del tipo prematuro, e per farlo dobbiamo capire come muoiono le batterie agli ioni di litio.

I produttori di batterie considerano una batteria “scarica” quando la sua capacità scende all’80% di quella che dovrebbe essere. Quindi, per una batteria da 100 Ah, la sua fine arriva quando la sua capacità è ridotta a 80 Ah. Esistono due meccanismi alla base della caduta della batteria: i cicli di carica/scarica e l’invecchiamento. Ogni volta che si scarica e si ricarica la batteria, si verifica un piccolo danno e si perde un po’ di capacità. Ma anche se metti la tua preziosa batteria in un bellissimo santuario di vetro, per non essere mai utilizzata, essa finirà comunque. Quest’ultimo fattore si chiama vita media attesa.

È difficile trovare dati concreti sulla vita media attesa per le batterie LiFePO4 perché molto poco materiale è disponibile. Alcuni studi scientifici sono stati condotti sull’effetto delle temperature estreme (in temperature e SOC) sulla vita media attesa e questi test aiutano a stabilire dei limiti. Ciò che riteniamo è che se non si abusi della banca di batterie, evitando gli estremi e utilizzando le batterie entro limiti ragionevoli: esiste un limite massimo di circa 20 anni per le LiFePo4.

Oltre alle celle all’interno della batteria, c’è anche il BMS, che è composto da parti elettroniche. Quando il BMS si guasta, lo stesso vale per la batteria. Le batterie agli ioni di litio con un BMS integrato sono ancora troppo nuove, e dovremo vedere, ma alla fine il sistema di gestione della batteria deve sopravvivere fino a quando lo fanno anche le celle agli ioni di litio.

I processi all’interno della batteria cospirano nel tempo per rivestire lo strato limite tra elettrodi ed elettrolita con composti chimici che impediscono agli ioni di litio di entrare e uscire dagli elettrodi. I processi legano anche gli ioni di litio in nuovi composti chimici, quindi non sono più disponibili per passare dall’elettrodo all’elettrodo. Quei processi avverranno indipendentemente da ciò che facciamo, ma dipendono molto dalla temperatura! Tieni le batterie sotto i 30 gradi centigradi e andrà tutto bene. Supera i 45 gradi centigradi e le cose accelerano notevolmente! Nemico pubblico n. 1 per le batterie agli ioni di litio, di gran lunga, è il calore!

C’è di più a proposito di vita media attesa e di quanto velocemente una batteria LiFePO4 invecchierà: anche lo stato di carica ha qualcosa a che fare con esso. Mentre le alte temperature sono pessime, queste batterie in realtà non amano stare allo 0% SOC a temperature molto alte! Anche cattivo, anche se non altrettanto grave dello 0% di SOC, è che siedano al 100% di SOC alle alte temperature. Temperature molto basse hanno un effetto minore. Come abbiamo discusso, non è possibile (e il BMS non consente di caricare) le batterie LiFePo4 sotto lo zero. A quanto pare, scaricarli sotto lo zero, se possibile, ha anche un effetto accelerato sull’invecchiamento. Non è nocivo come lasciare che la batteria rimanga ad alta temperatura, ma se si intende sottoporre la batteria a temperature di congelamento è meglio farlo mentre non si sta caricando né scaricando, e con un po’ di energia nel “serbatoio” (anche se non un serbatoio pieno). In senso più generale, è meglio conservare queste batterie a circa il 50% – 60% SOC se necessitano di una conservazione a lungo termine.

Se vuoi davvero sapere, cosa succede quando una batteria agli ioni di litio si carica sotto lo zero è che il litio metallico si deposita sull’elettrodo negativo (carbonio). Neanche in modo simpatico, cresce in strutture affilate e aghiformi, che alla fine forano la membrana e mettono in corto circuito la batteria (portando a uno spettacolare evento di disassemblaggio rapido non programmato come la NASA chiama, coinvolgendo fumo, calore estremo e molto probabilmente fiamme). Fortunatamente per noi, questo è qualcosa che il BMS impedisce che accada.

Stiamo passando al ciclo della vita. È diventato comune ottenere migliaia di cicli, anche con un ciclo completo di carica / scarica al 100%, dalle batterie agli ioni di litio. Ma ci sono alcune cose che puoi fare per massimizzare la durata del ciclo.

Abbiamo parlato del funzionamento delle batterie LiFePO4: spostano gli ioni di litio tra gli elettrodi. È importante capire che si tratta di particelle fisiche reali che hanno una dimensione. Vengono strappati da un elettrodo e inseriti nell’altro, ogni volta che si carica-scarica la batteria. Ciò provoca danni, in particolare al carbonio dell’elettrodo negativo. Ogni volta che la batteria si carica, l’elettrodo si gonfia un po’ e ogni scarica si riduce di nuovo. Nel tempo ciò provoca crepe microscopiche. È per questo che la carica di un po’ al di sotto del 100% ti darà più cicli, così come lo scarico a un poco superiore allo 0%. Inoltre, pensa a quegli ioni come a piccoli esserini che esercitano una “pressione”: i numeri estremi di stato di carica esercitano una maggiore pressione, causando reazioni chimiche che non vanno a beneficio della batteria. Questo è il motivo per cui le batterie LFP non amano essere messe via al 100% SOC o messe in carica in stato di floating (quasi) al 100%.

Quanto velocemente gli ioni di litio vengono strappati: anche questo ha un effetto sulla vita del ciclo. Alla luce di quanto sopra, ciò non dovrebbe sorprendere. Mentre le batterie LiFePo4 effettuano regolarmente la ricarica e la scarica a 1C (ovvero 100 Amp per una batteria da 100 Ah), vedrai più cicli dalla batteria se limiti questo a valori più ragionevoli (il fattore C  della batteria è un moltiplicatore (vale per tutte le batterie) che permette di calcolare la corrente massima di carica e di scarica di una batteria (non è detto che siano uguali) e dimensionare le utenze. Su alcune schede tecniche è indicato il fattore C mentre su altre viene indicata la massima corrente di carica e di scarica, ad esempio Enola Gay ha 0.48C in ricarica e 0.8C in scarica, prestazioni di tutto rispetto considerando la capacità. L’utilità di un C elevato è la possibilità di avere una quantità di corrente maggiore della capacità dell’accumulatore stesso sacrificando il tempo di scarica oppure la possibilità di effettuare una carica rapida con adeguati alimentatori.) Le batterie al piombo acido hanno un limite di circa il 20% della classificazione Ah, e rimanere all’interno di questa soglia, per gli ioni di litio, avrà benefici anche per una maggiore durata della batteria.

L’ultimo fattore degno di nota è il voltaggio, anche se questo è davvero ciò per cui il BMS è progettato in termini di controllo. Le batterie agli ioni di litio hanno una finestra di tensione stretta, sia per la carica che per la scarica. Andare fuori da quella finestra provoca rapidamente danni permanenti, e nella fascia alta un possibile evento RUD (discorso della NASA, come menzionato prima). Per LiFePO4 quella finestra è circa 8,0 V (2,0 V per cella) e 16,8 Volt (4,2 V per cella). Il BMS integrato dovrebbe avere cura di mantenere la batteria entro tali limiti.

COMPITI PER CASA

Ora che sappiamo come funzionano le batterie agli ioni di litio, cosa piace e cosa non piace, e come alla fine si guastano, ci sono alcuni suggerimenti da tenere a mente. Abbiamo fatto un piccolo elenco di seguito. Se non hai intenzione di fare nient’altro, prendi nota dei primi due, che hanno di gran lunga il maggior effetto sul tempo complessivo per il quale ti godrai la batteria agli ioni di litio! Anche prestare attenzione agli altri aiuterà a prolungare la durata della batteria.
Per riassumere, per una lunga e felice durata della batteria LiFePo4, in ordine di importanza, dovresti tenere presente quanto segue:

– Mantenere la temperatura della batteria sotto i 45 gradi centigradi (se possibile sotto i 30 ° C) – Questo è di gran lunga il più importante !

– Mantenere correnti di carica e scarica inferiori a 0,5 ° C (preferibilmente 0,2 ° C)
– Mantieni la temperatura della batteria superiore a 0 gradi centigradi quando scarica, se possibile – Questo, e tutto quanto sotto, non è affatto importante quanto i primi due
– Non andare al di sotto del 10% – 15% SOC a meno che non sia necessario
– Se possibile, non effettuare il floating della batteria al 100% SOC
– Non caricare al 100% SOC se non ne hai bisogno

Questo è tutto! Ora anche tu puoi trovare la felicità e una vita piena con le tue batterie LiFePO4!

*************************************************

Aggiungo, per concludere, il video in cui presento Enola Gay, la mia personale batteria al litio da 250 ah. Buona visione! Se avete domande sono a disposizione tramite commenti 🙂