Cause del degrado della batteria

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Nell’ampia varietà di batterie, ogni tipo di cella e sottospecie di dispositivo presenta una vulnerabilità unica al degrado, influenzata dall’utilizzo e da altri fattori. Alcune cellule prosperano a bassa temperatura, altre eccellono a correnti elevate. Tale specializzazione, tuttavia, spesso ha un costo.

L’invecchiamento della batteria è legato al tempo (nei casi di invecchiamento calendario o “calendario”) o all’utilizzo, con la carica e la scarica che rappresentano l’invecchiamento “ciclico”.

Entrambe le forme di invecchiamento contribuiscono allo sbiadimento della capacità e dell'efficienza e all'aumento della resistenza interna poiché gli ioni rimangono intrappolati in reazioni collaterali spiacevoli per sempre. Queste reazioni sono guidate da vari “fattori che influenzano”. Tipicamente, gli ioni reagiscono in modo irreversibile con altri materiali nella cellula, formando residui passivi e impedendone l'uso per il trasporto di energia.

I fattori d’influenza comuni – il cui impatto varia a seconda del tipo di cella – includono la temperatura delle celle della batteria; stato di carica del dispositivo (SOC); e la corrente, o potenza, utilizzata durante la carica e la scarica. Per quanto riguarda lo stato di carica (la quantità di carica, o energia, in una batteria), il SOC inattivo è importante quando una batteria non è in uso e la finestra SOC (l'intervallo in cui si verifica il ciclo) è rilevante quando un dispositivo è in ciclo.

Lo stress meccanico, come vibrazioni e pressione, è un altro fattore che influenza il degrado della batteria, ma per ora ci concentreremo sui tre fattori sopra indicati.

Temperatura

La temperatura gioca un ruolo fondamentale nella durata della batteria. La maggior parte dei processi chimici cellulari traggono vantaggio dalla conservazione e dal riposo a basse temperature, inferiori a 20 C, poiché ciò rallenta l'invecchiamento calendariale riducendo la possibilità di reazioni collaterali. Il funzionamento al minimo a temperature più elevate può aumentare notevolmente il tasso di degradazione.

Al contrario, la maggior parte della tecnologia delle celle è molto sensibile al funzionamento a bassa temperatura, causando un dilemma. Dato che una temperatura compresa tra 30 C e 40 C non è ottimale, il punto ottimale per il funzionamento delle celle della batteria è tra 15 C e 25 C, per la maggior parte dei prodotti chimici. Le batterie più recenti a base di nichel-manganese-cobalto (NMC) sono molto sensibili alla carica a bassa temperatura e possono verificarsi difetti pericolosi se caricate a temperature inferiori a 10 C. Nel grafico a sinistra, sono mostrate tre celle NMC di alta qualità dello stesso tipo , la velocità di degradazione migliora leggermente riducendo la temperatura di esercizio di 10 C, da 25 C (linea arancione) a 15 C (linea viola). Scendendo di 10°C (linea blu), tuttavia, la batteria si danneggerebbe quasi immediatamente.

Placcatura al litio

Le batterie agli ioni di litio (li-ion) sono generalmente sicure ma in determinate condizioni – a temperature fredde, con corrente elevata o con un elettrodo ospite già ben riempito – possono subire la placcatura al litio. L'esempio sopra mostra l'impatto della placcatura a bassa temperatura. La placcatura è una forma di residuo che si verifica quando gli ioni di litio formano depositi metallici all'interno delle celle della batteria. Nel corso del tempo, questo processo può accumularsi e infine portare a cortocircuiti interni che potrebbero innescare un’instabilità termica, un rilascio rapido e pericoloso di calore e gas.

SOC

Lo stato di carica ha un impatto sostanziale sulla durata della batteria. Sono importanti sia il SOC inattivo, durante il non utilizzo (che riguarda l'invecchiamento calendariale), sia l'intervallo o la finestra del SOC durante il funzionamento (invecchiamento ciclico). L'esempio seguente mostra due celle NMC identiche.

Il grafico seguente mostra l'evoluzione del degrado di due casi d'uso quasi identici di celle NMC di alta qualità.

Entrambi utilizzano solo circa il 50% della batteria e il primo caso d'uso (la linea blu) lo fa nella metà superiore del SOC, iniziando con una carica completa e scendendo al 50% prima di essere nuovamente caricati completamente. Il secondo caso d'uso (in arancione) inizia con una carica del 50% e termina praticamente vuoto. Come mostrano i grafici, l’impatto sul degrado è incredibile: la batteria arancione durerà da due a tre volte più a lungo di quella blu, riducendo il costo totale di proprietà di oltre la metà.

Va sottolineato, tuttavia, che questo è un esempio di un particolare tipo di cella e altri dispositivi e celle potrebbero comportarsi in modo completamente diverso. Come regola generale, evitare un SOC superiore al 90% e inferiore al 10% generalmente prolunga la durata della batteria, ma ci sono delle eccezioni.