Quale chimica è la migliore per elettrificare il tuo veicolo?

Scopriamo le diverse tipologie di batterie

Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LCO:

Litio-Cobalto-Ossido (LiCoO 2 )

Le batterie al litio con chimica LCO sono le meno recenti, principalmente utilizzate per dispositivi elettronici ed Applicazioni mobili, e sono costituiti da un catodo di ossido di cobalto (elettrodo positivo) e un anodo di carbonio di grafite (elettrodo negativo).

Il vantaggio di questa chimica è che ha un'elevata energia specifica ed è perfetto per batterie medio-piccole, che sono in grado di funzionare bene, in modo da poter essere ricaricate molto velocemente.

Le batterie LCO sono infatti le più utilizzate per smartphone, fotocamere digitali e laptop portatili.

D'altra parte, il loro utilizzo è principalmente limitato ad applicazioni non troppo grandi a causa della loro limiti di sicurezza. Presentano inoltre una corrente di scarica piuttosto bassa e questo può portarli a surriscaldarsi rapidamente sotto carichi elevati. 

Contengono inoltre un'alta percentuale di cobalto, un elemento costoso, difficile da reperire e associato a grossi problemi etici nell'estrazione, ed è per questo che un numero crescente di produttori sta ora cercando di farne a meno o limitarne il più possibile l'uso .

Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LMO:

Ossido di litio-manganese (LiMn 2 O 4 )

Batterie al litio con Chimica LMO eseguire in modo molto simile a quelli che utilizzano Tecnologia LCO. Sono ampiamente utilizzati in piccoli dispositivi come utensili elettrici.

La caratteristica principale delle batterie LMO è la loro capacità di fornire molta energia in poco tempo. batterie LMN sono costituiti da un catodo di ossido di manganese e un anodo di grafite.

Sono spesso utilizzati per biciclette elettriche, nel giardinaggio, attrezzature mediche e utensili elettrici come trapani e cacciaviti.

batterie LMO hanno una maggiore stabilità termica rispetto alle batterie con chimica LCO, ma sono limitate dalla loro capacità, che è inferiore rispetto ai sistemi a base di cobalto.

Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LFP:

Litio – Ferro – Fosfato (LiFePO4)

La chimica LFP risponde al meglio alle esigenze specifiche del settore industriale, dove non è richiesta eccessiva energia specifica, ma dove c'è bisogno di elevatissima sicurezza e lunghi cicli di vita. Parliamo quindi di un mondo molto vasto, che va dall'automazione, alla robotica, alla logistica, all'edilizia, all'agricoltura, alla nautica, ai veicoli elettrici, fino ai veicoli aeroportuali, piattaforme aeree e veicoli speciali Le batterie con chimica LFP, infatti, sono le più sicure e stabili oggi sul mercato, e sono disponibili in formati di grande capacità, come richiesto dai sistemi industriali, senza la necessità di collegare molti piccole cellule in parallelo, che ne abbasserebbe la stabilità e comprometterebbe il sicurezza del veicoloI cicli di vita di una batteria con chimica LFP oggi superano 3,500 e, se dotato di un buon sistema BMS, può facilmente superare 4,000, e in futuro anche più di 6,000 ci si può aspettare.Ma bisogna stare attenti, quando si parla di “cicli di vita” non bisogna pensare che dopo 3,500 cicli una batteria sia completamente scarica. Infatti, è importante ricordare che la fine del ciclo di vita di una batteria su un veicolo è sempre considerata all'80% della capacità residua, ma ci saranno ancora molte possibilità di utilizzo in altri ambiti, come lo stoccaggio di energia. Un altro vantaggio della chimica LFP, oltre alla sicurezza intrinseca e agli elevati cicli di vita, è che ha una curva di scarica piatta. Nell'immagine sottostante, la curva tende a salire. Questa è la cosiddetta curva di carica, mentre le curve discendenti si riferiscono alla tensione della batteria durante la scarica. Il range di tensione dal 100% allo 0% è quindi molto simile, e questo è un dato fondamentale, in quanto consente a macchine e veicoli industriali di garantire le stesse prestazioni dall'inizio alla fine della scarica.

Curva di scarica della chimica LFP del litio

D'altra parte, questo vantaggio può anche trasformarsi in uno svantaggio, in quanto, a causa della curva piatta, la sola lettura delle tensioni renderà più complicato determinare una corretta SOC (stato di carica). 

Per evitare questa limitazione, il BMS il sistema di gestione della batteria dovrà essere progettato in modo intelligente per fornire il corretto stato di carica e svolgere al meglio le funzioni di bilanciamento.

Uno dei tanti vantaggi di questa chimica è la totale assenza di cobalto, materiale che, come abbiamo già accennato, è tossico, uno dei più impattanti per l'ambiente. 

Molti produttori di batterie al litio stanno attualmente cercando di ridurre la percentuale di cobalto nelle loro batterie, quindi la chimica LFP, essendo priva di cobalto, inizia con un grande vantaggio.

Anche se solo pochi anni fa, Batterie LFP sembravano destinati all'oblio, in quanto la loro densità energetica era molto bassa, intorno a 100 Wh/Kg, oggi questa tecnologia 

è letteralmente riemerso dalle ceneri con un aumento molto significativo della densità energetica, raggiungendo 170 Wh/Kg in breve tempo, suscitando un forte interesse da parte del mondo automobilistico. 

Ulteriori incrementi della densità gravimetrica a 220/230 Wh/Kg sono già previsti nei prossimi anni. Proprio per questo molte case automobilistiche hanno deciso di reintrodurre la chimica LFP per l'elettrificazione dei propri veicoli, prima fra tutte Tesla, che attualmente la sta utilizzando nella sua “gamma standard” 

veicoli in quanto garantisce un miglior livello di sicurezza, ad un costo leggermente inferiore rispetto al Chimica NMC utilizzato per veicoli ad alte prestazioni. Come Tesla, So BYD, Volkswagen e molti altri importanti produttori automobilistici ora vedono un grande potenziale nella chimica LFP.

Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica NMC:

Nichel – Manganese – Cobalto (LiNixMnyCozO2)

Ad oggi, le batterie con chimica NMC rimangono le più frequentemente utilizzate nel settore automotive.

Con questa chimica, un'energia specifica molto elevata fino a 220 – 240 Wh/kg può essere raggiunto. Questo è chiaramente un vantaggio competitivo decisivo per un'auto, in quanto consente di immagazzinare una grande quantità di energia con un peso e un volume ridotti, 

consentendo di installare più energia nel veicolo rispetto ad altre tecnologie basate sul litio.

Esistono vari tipi di chimica NMC:

NCMC 111 (Nichel 33.3% – Manganese 33.3% – Cobalto 33.3%)

NCMC 622 (Nichel 60% – Manganese 20% – Cobalto 20%)

NCMC 811 (Nichel 80% – Manganese 10% – Cobalto 10%)

Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica NCA:

Nichel – Cobalto – Alluminio (LiNiCoAIO2)

Le batterie con chimica NCA sono utilizzate anche nel settore automobilistico insieme alle batterie NMC. Il loro grado di sicurezza è leggermente inferiore a quello delle NMC, ma allo stesso tempo hanno una densità energetica molto elevata, raggiungendo i 250-300 Wh/Kg. L'NCA La struttura della cella è molto simile a quella dell'NMC 811, con un alto contenuto di nichel e un basso contenuto di cobalto e alluminio. A causa della loro elevata capacità di accumulo di energia, le batterie al litio NCA sono spesso utilizzate in miscele con prodotti chimici NMC per raggiungere un compromesso tra densità energetica, sicurezza e stabilità.

Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LTO

Titanato di litio (Li4Ti5O12)

Si tratta di una chimica ancora poco citata, ma che sembra essere molto promettente in termini di cicli di vita, in quanto i suoi bassi voltaggi interni e la mancanza di sollecitazioni meccaniche gli permettono di degradarsi molto poco, raggiungendo facilmente dai 15,000 ai 20,000 cicli di utilizzo. Vantaggio particolare, potrebbe essere utilizzato per l'elettrificazione di auto e veicoli soggetti ad un utilizzo molto gravoso, ma allo stato attuale porta ancora alcuni problemi che ne limitano l'uso e la diffusione.

I suoi punti deboli sono 2:

La bassa densità energetica (177Wh/l) e densità gravimetrica (60-70 Wh/Kg) nonché una tensione nominale inferiore di 2.4 V o 2.8 V: ciò significa che saranno necessarie più celle in serie per ottenere la tensione di batteria desiderata .

Il suo costo attualmente molto elevato che si riflette in un basso numero di produttori globali di celle LTO, questo probabilmente a causa degli attuali bassi volumi richiesti dal mercato

I suoi vantaggi, d'altro canto, includono non solo la lunga durata, ma anche l'ampio intervallo di temperatura e l'eccellente suscettibilità a cariche e scariche ad alta potenza, ovvero un elevato C-Rate (rapporto tra corrente e capacità nominale).

L'utilizzo ideale della tecnologia LTO sono le applicazioni heavy-duty come gli AGV (veicoli a guida automatica): immagina flotte di carrelli elevatori a guida autonoma che lavorano 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX, che sfruttano anche la ricarica rapida per ridurre i tempi di fermo e aumentare di conseguenza l'efficienza dell'impianto.


Dalla teoria alla pratica: utilizzo della giusta chimica del litio per ogni applicazione

Abbiamo delineato i 6 principali tipi di chimica a base di litio che sono attualmente più utilizzati nelle varie aree di elettrificazione. Ma non dobbiamo pensare che queste chimiche siano in competizione tra loro, anzi! Sono tutti preziosi e ad alte prestazioni, ma ogni sostanza chimica al litio funziona meglio in diverse aree di utilizzo.

Questo diagramma mostra un confronto tra le varie caratteristiche delle sostanze chimiche in termini di:

● Energia Specifica o Densità Gravimetrica [Wh/Kg]: è il rapporto tra la quantità di energia contenuta (Wh = V x Ah) e il peso della batteria.

● Sicurezza: che è strettamente correlata alla stabilità termica perché la sicurezza intrinseca dipende molto dalla stabilità termica dei componenti

● C-Rate: velocità di carica/scarica, cioè il rapporto tra la corrente di carica o scarica (A) e la capacità nominale della cella (Ah). Questo è un parametro strettamente legato alla capacità della cellula di generare energia.

● Ciclo di vita: numero di volte in cui la cella può essere scaricata e caricata fino al raggiungimento della fine vita, normalmente considerata quando viene raggiunto l'80% della capacità residua.

● Costo


Batterie LFP e LTO per il settore industriale

Nell'industria, nell'agricoltura, o anche per l'elettrificazione di veicoli speciali, soprattutto se si tratta di applicazioni altamente cicliche che mettono a dura prova la batteria, è meglio utilizzare chimiche come LFP e LTO, dove la durata, l'affidabilità e la sicurezza sono le parole d'ordine requisiti più importanti.

Nel mondo industriale, quindi, il tema dello spazio è meno vincolante, così come non è indispensabile avere prestazioni o densità energetiche eccessive. Nella valutazione della scelta della giusta chimica entra quindi in gioco il fattore più importante della sicurezza, aspetto su cui pochi vogliono e possono scendere a compromessi.

È meglio avere una batteria leggermente più ingombrante, ma che offra una sicurezza ottimale e abbia una durata significativamente più lunga. Ci sono veicoli, come LGV e AGV, che devono essere utilizzati in modo intensivo e lavorare incessantemente 3 ore su 4, di conseguenza le loro batterie faranno anche 4,000 o XNUMX cicli di ricarica in un solo giorno. La chimica LFP li supporterà quindi facilmente con i suoi oltre XNUMX cicli di ricarica. Se le batterie per l'accumulo stazionario fossero necessarie, allora la densità energetica non significherebbe quasi nulla e, al contrario, il costo della batteria e i cicli di vita sarebbero gli elementi alla base della scelta della chimica. La chimica LFP troverebbe quindi il suo posto.