In tutti i mercati negli ultimi anniBatterie agli ioni di litiostanno guadagnando trazione. Per chi non lo sapesse è facile liquidare lo ione di litio come alternativa costosa alle tecnologie VRLA (acido regolato da piombo regolato da valvola) come AGM (vetro assorbente opaco), se si osserva semplicemente il valore amp-ora (Ah). Questo è stato l'errore iniziale che ho fatto qualche anno fa. Scavando più a fondo mi è diventato chiaro che quando si scelgono le batterie migliori per la propria applicazione ci sono molte più valutazioni di Ah da considerare.

Nei confronti seguenti, mentre sono mostrate le batterie al gel, hanno una capacità effettiva inferiore a correnti di scarica elevate. Costano all'incirca gli stessi degli AGM, supponendo che entrambi i tipi siano monoblocchi, a differenza delle cellule di gel a lunga durata da 2 V. Le batterie a celle umide o al piombo acido (FLA) alluvionate, quando citate, non sono prese in considerazione per il punto cruciale di questo particolare confronto, principalmente a causa di considerazioni di manutenzione e sicurezza nell'ambiente marino. Questo ovviamente non può applicarsi ad altri mercati.

Energia e costi utilizzabili

È generalmente accettato che la profondità di scarica (DOD) più economica e pratica per una batteria AGM sia del 50%. Per litio-ferro-fosfato (LiFePO4 o LFP), che è il più sicuro dei tipi di batterie agli ioni di litio tradizionali, viene utilizzato l'80% di DOD.

Come funziona nel mondo reale? Facciamo due esempi di batterie da 24 V e confrontiamo l'energia utilizzabile per un piccolo yacht:
1 x ioni di litio 24 V 180 Ah

La tensione nominale della cella LFP è di 3,3 V. Questa batteria LFP da 26,4 V è composta da 8 celle collegate in serie con una classificazione di 180 Ah. L'energia disponibile è 26,4 x 180 = 4. 75 kWh. L'energia utilizzabile è 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 kWh.
2 x AGM 12 V 220 Ah

La tensione nominale della cella al piombo-acido è 2,0 V / cella. Ogni batteria monoblocco da 12 V è composta da 6 celle collegate in serie con una tensione di 220 Ah. Collegando 2 batterie da 12 V 220 Ah in serie per fornire 24 V e 220 Ah, l'energia disponibile è 24,0 x 220 = 5,28 kWh. L'energia utilizzabile è 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

Ciò pone la domanda: quale valutazione Ah delle batterie AGM sarebbe l'equivalente dell'energia utilizzabile da 3,8 kWh della batteria agli ioni di litio? Per ottenere 3,8 kWh di energia utilizzabile da una batteria AGM dovrebbe essere il doppio di quella dimensione per iniziare a causa della regola del DOD del 50%, ovvero 3,8 x 2 = 7,6 kWh. A 24 V ciò significherebbe 7.600 / 24, il che ci dà una valutazione della batteria di 316,66 Ah, che si sta avvicinando al doppio della capacità nominale dello ione di litio 24 V 180 Ah. Si noti che ciò non tiene conto dell'invecchiamento delle batterie, del declassamento della temperatura o dell'effetto di carichi più elevati. Per le batterie AGM, carichi più elevati hanno un effetto maggiore rispetto al litio. Vedi la sezione - Energia utilizzabile: effetto sulla capacità di scarica e sulla tensione con carichi diversi, di seguito. Sulla base di tutto ciò, è ragionevole affermare che una batteria AGM dovrà avere il doppio della capacità Ah di una batteria al litio.

Peso

La maggior parte dei rating Ah delle batterie, indipendentemente dal tipo, sono specificati alla frequenza di 20 ore. Questo andava bene ai tempi dei carichi leggeri, ma poiché il numero di carichi e le dimensioni dei carichi sono aumentati nel tempo, dobbiamo anche considerare carichi elevati a breve termine, a medio e lungo termine per diversi tipi di apparecchiature. Questo può significare un pacco batteria di grandi dimensioni. Al limite potremmo avere l'aria condizionata in funzione per 10 ore con 10 kW, rispetto a una luce a LED che utilizza 100 Watt in quel momento. Bilanciare questi diversi requisiti e tutti i carichi tra di essi diventa la chiave. Con un pacchetto di grandi dimensioni, come mostrato di seguito, è chiaro quanto sia pesante il piombo acido rispetto al litio. 1360/336 = 4 volte più pesante.

Energia utilizzabile: effetto sulla capacità di scarica e sulla tensione con carichi diversi

Come affermato in precedenza, la maggior parte delle batterie Ah sono quotate alla frequenza di 20 ore. Nell'immagine seguente per la batteria al piombo, se quella era una batteria da 100 Ah alla velocità di 20 ore, puoi vedere che 0,05 C significa 100 x 0,05 = 5 Amp per 20 ore = 100 Ah disponibili fino a quando la batteria è completamente scarica. Dato che utilizziamo solo il 50% della batteria, possiamo vedere che la tensione sarà ancora 24 V al 50% DOD per un carico di 5 Amp per 10 ore e quindi avremmo consumato 50 Ah.

L'aumento dell'assorbimento di corrente (come mostrano i grafici sotto) può influire sull'energia utilizzabile disponibile e sulla tensione della batteria. Questa riduzione effettiva della valutazione è nota come effetto di Peukert. Con acido al piombo maggiore è il carico, più è necessario aumentare la capacità di Ah della batteria per alleviare questo. Con il litio, tuttavia, un carico anche di 10 volte maggiore a 0,5 ° C può comunque avere una tensione terminale di 24 V all'80% DOD / 20% SOC, senza salire sulla potenza Ah della batteria. Questo è ciò che rende il litio particolarmente adatto per carichi elevati.

Nota: nei grafici seguenti è mostrata la capacità di scarica rispetto alla tensione terminale. Di solito vedrai i grafici AGM come tempo di scarica vs tensione terminale. Il motivo per cui tracciamo la capacità di scarica (anziché il tempo di scarica) è che il litio ha una tensione terminale più alta e più stabile dell'AGM, quindi tracciare le curve tenendo presente la capacità di scarica offre un confronto più accurato delle sostanze chimiche, dimostrando che il litio aumenta l'energia utilizzabile a carichi più elevati a causa di tensioni terminali più elevate e più stabili. Sebbene si possa considerare questa un'area grigia (anche in parte a causa della diversa resistenza interna delle batterie), è probabilmente l'unico vero modo per confrontare le tecnologie. Ciò è ulteriormente dimostrato nelle immagini sotto i grafici.

Litio - Capacità di scarica vs tensione terminale


Acido di piombo - Capacità di scarica vs tensione terminale

Energia utilizzabile (acido al piombo)

Energia utilizzabile (litio)

Efficienza di carica

Molto di ciò che abbiamo visto nel processo di scarico è vero anche nel processo opposto di addebito. Non lasciatevi scoraggiare dalle grandi dimensioni del generatore mostrate di seguito, poiché questo blog mostra semplicemente una serie di scenari. Le soluzioni sono scalabili in linea di principio. Innanzitutto, confrontiamo l'efficienza di carica dell'acido di piombo a sinistra con il litio a destra, durante l'intero ciclo di carica. La carica dell'ultimo 20% di una batteria con tecnologia al piombo acido è sempre lenta e inefficiente rispetto al litio. Ciò è confermato dai costi del carburante (o da qualsiasi fonte di ricarica utilizzata) nelle immagini più in basso. Nota anche la differenza nei tempi di ricarica.

Nota: tariffe di addebito
La velocità di carica consigliata per batterie AGM di grandi dimensioni è 0,2 C, ovvero 120 A per una batteria da 600 A costituita da blocchi paralleli da 200 Ah.
Tassi di carica più alti surriscaldano la batteria (compensazione della temperatura, rilevamento della tensione e buona ventilazione sono assolutamente necessari in tal caso per evitare la fuga termica) e, a causa della resistenza interna, la tensione di assorbimento verrà raggiunta quando la batteria viene caricata solo al 60% o meno, con conseguente tempo di assorbimento più lungo necessario per caricare completamente la batteria.
La ricarica ad alta velocità non ridurrà quindi sostanzialmente il tempo di ricarica di una batteria con tecnologia al piombo acido.
In confronto, una batteria al litio da 200 Ah può essere caricata fino a 500A, tuttavia la velocità di carica consigliata per la massima durata del ciclo è di 100 A (0,5 ° C) o inferiore. Ancora una volta questo dimostra che sia in scarica che in carica il litio è superiore.

Scelte della batteria, mercati e durata del ciclo

A seconda del modo in cui trattate una batteria, potete ragionevolmente aspettarvi che l'intervallo di cicli sottostante sia soggetto al corretto dimensionamento del DOD e dei banchi batteria per i carichi. Entra in gioco anche la temperatura di funzionamento. Più calda è la batteria, meno tempo durerà. La capacità della batteria si riduce anche con la temperatura ambiente. La base per le variazioni dovute alla temperatura è di 25 gradi centigradi.

conclusioni

Chiaramente le batterie AGM dovranno essere sostituite più spesso del litio. Vale la pena tenerlo presente, poiché ciò comporta tempi, costi di installazione e di trasporto, il che annulla ulteriormente i maggiori costi di capitale iniziali del litio così come i minori costi di ricarica del litio.

Indipendentemente dalla scelta della batteria effettuata, all'inizio sono presenti sia un costo in conto capitale sia un rischio tecnologico. Se sei in grado di avere il capitale per i costi iniziali più elevati del litio, potresti scoprire che la vita è più facile e che la scelta è conveniente nel tempo. Gran parte di questo dipende dalla conoscenza dell'operatore e da come trattano un sistema di batterie. C'è un vecchio detto che le batterie non muoiono, vengono uccise. Le buone pratiche di gestione sono la tua assicurazione contro i guasti precoci, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata.

Ioni di litio vs AGM? La scelta è tua. È giunto il momento di considerare il litio nell'industria navale come una soluzione economica, affidabile e ad alte prestazioni. Nessun produttore di veicoli elettrici che si rispetti userebbe ancora oggi le tecnologie delle batterie a base di acido piombo. È tempo per l'industria marittima di mettersi al passo?