Quando utilizzare quale batteria? Ioni di litio vs AGM

Negli ultimi anni in tutti i mercati le batterie agli ioni di litio hanno guadagnato terreno. Per chi non lo sapesse è facile liquidare gli ioni di litio come un'alternativa costosa alle tecnologie VRLA (acido al piombo regolato da valvola) come AGM (tappetino di vetro assorbito), se si guarda semplicemente alla potenza ampere-ora (Ah). Questo è stato l’errore iniziale che ho fatto qualche anno fa. Scavando più a fondo mi è diventato chiaro che c'è molto di più dei soli valori in Ah da considerare quando si scelgono le migliori batterie per la propria applicazione.

Nei confronti seguenti, anche se vengono mostrate le batterie al gel, queste hanno una capacità effettiva inferiore a correnti di scarica elevate. Costano più o meno lo stesso delle AGM, presupponendo che entrambi i tipi siano monobloc, al contrario delle celle gel a lunga durata da 2 V. Le batterie a celle umide o al piombo acido allagato (FLA), anche se citate, non sono considerate per il punto cruciale di questo particolare confronto, principalmente a causa di considerazioni sulla manutenzione e sulla sicurezza nell'ambiente marino. Ciò ovviamente potrebbe non applicarsi ad altri mercati.

Energia utilizzabile e costi

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

Come funziona nel mondo reale? Prendiamo 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 3,3 V. Questa batteria LFP da 26,4 V è composta da 8 celle collegate in serie con un 180 Ah voto. 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 è 2,0 V/cella. Ogni batteria monoblocco da 12 V è composta da 6 celle collegate in serie con una potenza di 220 Ah. Collegando in serie 2 batterie da 12 V 220 Ah 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 solleva la domanda: quale valore Ah delle batterie AGM sarebbe l'equivalente dell'energia utilizzabile di 3,8 kWh della batteria agli ioni di litio? Per ottenere 3,8 kWh di energia utilizzabile da una batteria AGM, sarebbe necessario iniziare con dimensioni doppie a causa della regola economica DOD del 50%, ovvero 3,8 x 2 = 7,6 kWh. A 24 V ciò significherebbe 7.600/24, il che ci dà una potenza nominale della batteria di 316,66 Ah, che si avvicina al doppio della capacità nominale della batteria agli ioni di litio da 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, i carichi più elevati hanno un effetto maggiore rispetto alle batterie al litio. Vedere 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 degli Ah di una batteria al litio.

Peso

La maggior parte dei valori Ah delle batterie, indipendentemente dal tipo, sono specificati alla velocità di 20 ore. Ciò 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 attrezzature. Ciò può significare un pacco batteria di grandi dimensioni. Agli estremi potremmo avere l'aria condizionata in funzione per 10 ore utilizzando 10 kW, rispetto a una luce a LED che utilizza 100 Watt in quel lasso di tempo. Trovare il giusto equilibrio tra questi diversi requisiti e tutti i carichi intermedi diventa fondamentale. Con un pacchetto di grandi dimensioni come mostrato di seguito per raggiungere questo obiettivo, diventa chiaro quanto il piombo acido possa essere pesante 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 in Ah sono indicate alla velocità di 20 ore. Nell'immagine seguente per la batteria al piombo, se fosse una batteria da 100 Ah alla velocità di 20 ore, puoi vedere che 0,05 C significa 100 x 0,05 = 5 A per 20 ore = 100 Ah disponibili finché la batteria non è completamente scarica. Dato che utilizziamo solo il 50% della batteria, possiamo vedere che la tensione sarà ancora di 24 V al 50% DOD per un carico di 5 Amp in 10 ore, e quindi avremmo consumato 50 Ah.

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

Nota: nei grafici sottostanti viene mostrata la capacità di scarica rispetto alla tensione del terminale. Di solito vedrai i grafici AGM come Tempo di scarica rispetto alla tensione terminale. Il motivo per cui tracciamo la capacità di scarica (invece del tempo di scarica) è che il litio ha una tensione terminale più elevata e più stabile rispetto all'AGM, quindi tracciare le curve tenendo presente la capacità di scarica fornisce un confronto più accurato delle chimiche, dimostrando che il litio aumenta l'energia utilizzabile a carichi più elevati grazie a tensioni terminali più elevate e più stabili. Sebbene si possa considerare questa un'area grigia (in parte anche 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 rispetto alla tensione terminale


Piombo acido – Capacità di scarica rispetto alla tensione terminale

Energia utilizzabile (piombo acido)

Energia utilizzabile (litio)

Efficienza di carica

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

Nota: Velocità di carica
La velocità di carica consigliata per le batterie AGM di grandi dimensioni è 0,2C, ovvero 120 A per una batteria da 600 A composta da blocchi da 200 Ah in parallelo.
Velocità di carica più elevate riscalderanno la batteria (in questo caso sono assolutamente necessari la compensazione della temperatura, il rilevamento della tensione e una buona ventilazione per prevenire 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 quindi non ridurrà sostanzialmente il tempo di ricarica di una batteria con tecnologia al piombo.
In confronto, una batteria al litio da 200 Ah può essere caricata fino a 500 A, tuttavia la velocità di carica consigliata per la massima durata è di 100 A (0,5 C) o inferiore. Ancora una volta ciò dimostra che sia nella scarica che nella carica il litio è superiore.

Scelte delle batterie, mercati e durata del ciclo

A seconda di come si tratta una batteria, è possibile ragionevolmente aspettarsi l'intervallo di cicli indicato di seguito, a condizione che il DOD e i banchi di batterie siano adeguatamente dimensionati per i carichi. Anche la temperatura operativa entra in gioco. Più calda è la batteria, meno tempo durerà. La capacità della batteria si riduce anche con la temperatura ambiente. La linea di base per le variazioni dovute alla temperatura è di 25 gradi centigradi.

Conclusioni

Chiaramente le batterie AGM dovranno essere sostituite più spesso rispetto a quelle al Litio. Vale la pena tenerlo presente poiché ciò comporta costi di tempo, installazione e trasporto, che annullano ulteriormente il costo di capitale iniziale più elevato del litio così come il costo inferiore di ricarica del litio.

Indipendentemente dalla scelta della batteria, all’inizio c’è sia un costo di capitale che 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 semplice e che la scelta è conveniente nel tempo. Molto di questo dipende dalla conoscenza dell'operatore e dal modo in cui tratta un sistema di batterie. C'è un vecchio detto secondo cui le batterie non muoiono, si uccidono. Le buone pratiche di gestione sono la vostra assicurazione contro il fallimento precoce, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata.

Ioni di litio vs AGM? La scelta è tua. È il momento giusto per considerare il litio nel settore marittimo come una soluzione conveniente, affidabile e ad alte prestazioni. Nessun produttore di veicoli elettrici che si rispetti utilizzerebbe ancora oggi le tecnologie delle batterie al piombo-acido. È tempo che l’industria nautica si allinei?