Esplorazione dei tipi di batterie agli ioni di litio per ESS

Stéphane Melançon, esperto di batterie e appassionato di elettricità di Laserax negli Stati Uniti, ha parlato delle caratteristiche delle diverse tecnologie agli ioni di litio e di come possiamo confrontarle.

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) non sono sempre state la scelta migliore. Spesso venivano saltati perché costavano molto. Per molto tempo, le batterie al piombo hanno assunto la leadership nel mercato dei sistemi di accumulo dell’energia (ESS). Erano più affidabili e costavano meno.

I produttori di batterie, i produttori di auto elettriche e i giganti dell’energia come LG Chem e Panasonic hanno investito miliardi nella ricerca di soluzioni energetiche. Ciò include la tecnologia delle batterie e i modi per realizzarle. Lo hanno fatto per tenere il passo con l’enorme richiesta di batterie agli ioni di litio. Ciò ha reso le batterie ESS agli ioni di litio più economiche e di dimensioni maggiori, consentendo loro di conquistare una fetta più grande di una torta di mercato in crescita.

In questo articolo approfondiremo sei tipi principali di batterie agli ioni di litio. Esamineremo il loro potenziale nell'ESS, ciò che rende una buona batteria per l'ESS e il ruolo svolto da altre fonti di energia.

1. Un approfondimento sui tipi di batterie agli ioni di litio

1.1 Litio Ferro Fosfato (LFP)

Le batterie LFP sono le migliori nel mondo ESS. Sono un'opzione più pulita perché LFP utilizza il ferro. Rispetto al cobalto e al nichel, il ferro è una scelta più ecologica. Il ferro è anche più economico e più facile da trovare, il che riduce i costi. Realizzarli costa anche meno.

Il capo di Tesla, Elon Musk, ritiene che tutti gli elementi di stoccaggio fissi passeranno alla chimica delle batterie LFP.

Gli LFP non offrono la stessa potenza per le loro dimensioni. Ma questo non è un grosso problema per l'ESS come lo è per le auto elettriche, poiché l'ESS può diffondersi maggiormente. Certo, le batterie LFP pesano di più, ma è solo un problema di installazione. Sono anche più sicuri con meno rischi di surriscaldamento e durano più a lungo con dai 2.000 ai 5.000 cicli. La batteria MANLY è professionalefornitore di batteriee offrono prestazioni più elevate e una batteria LiFePO4 più sicura. Sperimenta la longevità delle nostre batterie, che vantano 8.000 cicli e sono supportate da una garanzia decennale.

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1.2 Litio Nichel Manganese Cobalto (NMC)

Le batterie NMC sono le preferite agli ioni di litio per buone ragioni. Sono ricchi di energia e sono più sicuri quando si tratta di surriscaldamento.

Ma non durano quanto gli LFP, solitamente tra 1.000 e 2.000 cicli.

Hanno bisogno anche di cobalto e nichel. Questi sono più costosi e non così ecologici. Ci sono preoccupazioni sull’esaurimento di questi minerali, che potrebbe aumentare i costi e limitare l’offerta.

1.3 Litio Nichel Cobalto Alluminio (NCA)

Le batterie NCA sono un po' come le NMC ma con alcune modifiche chiave. Immagazzinano più energia per le loro dimensioni ma possono surriscaldarsi più facilmente. Come gli NMC, durano dai 1.000 ai 2.000 cicli e necessitano di cobalto e nichel.

1.4 Ossido di litio manganese (LMO)

Gli LMO hanno perso rapidamente la calma. Sono come gli LFP ma non durano così a lungo, di solito solo 500-800 cicli.

Costano un po’ meno da produrre rispetto agli LFP, ma la loro vita più breve aumenta i costi a lungo termine.

Gli LMO si caricano velocemente, hanno una potenza solida e funzionano bene anche quando fa caldo. Si tratta principalmente di strumenti portatili, attrezzature mediche e alcune auto elettriche.

1.5 Ossido di litio cobalto (LCO)

Gli LCO sono tra i primi tipi di ioni di litio. Sono comuni nei laptop e nei telefoni con bassi consumi energetici. Sono ottimi per le configurazioni leggere senza bisogno di molta potenza poiché mantengono il flusso di energia per un po'.

Ma gli LCO hanno una vita breve, solitamente da 500 a 1.000 cicli, e non sono in grado di gestire il calore. Ecco perché sono vietati per ESS.

1.6 Titanato di litio (LTO)

Le LTO sono quelle a lunga durata, con un massimo di 10.000 cicli e inquinano meno della maggior parte delle altre batterie. Si caricano rapidamente, ma potrebbe non essere un must per ESS.

Non immagazzinano molta energia per le loro dimensioni, il che li rende costosi. Ad esempio, mentre le altre batterie immagazzinano da 120 a 500 wattora per chilo, le LTO ne fanno da 50 a 80.

2. Fattori chiave per massimizzare la resa della batteria ESS

2.1 Conteggio cicli elevato:

Diverse batterie hanno una durata di vita diversa in base al numero di cicli di carica e scarica che possono completare prima di mostrare una significativa perdita di prestazioni. Le moderne batterie dei veicoli elettrici durano più a lungo. Le garanzie tipiche delle batterie dei produttori di automobili sono di circa otto anni o 100.000 miglia, ma dipendono in gran parte dal tipo di batteria utilizzata per la conservazione.

I sistemi di accumulo dell’energia necessitano di un ciclo di vita elevato poiché funzionano continuamente, caricandosi e scaricandosi. La capacità della batteria diminuisce ad ogni ciclo di carica e scarica. Quando una batteria agli ioni di litio può conservare solo dal 70% all'80% della sua capacità, ha raggiunto la sua durata di vita. Le migliori batterie agli ioni di litio possono funzionare fino a 10.000 cicli, mentre quelle di fascia bassa durano circa 500 cicli.

2.2 Potenza di picco:

I sistemi di accumulo dell’energia devono supportare i picchi di domanda di energia poiché vengono utilizzati per soddisfare il fabbisogno energetico durante i periodi di punta della domanda di rete.

Le richieste di energia non sono costanti, ma ESS può spostare i tempi di ricarica in quando l’energia è più economica o più disponibile. Immagazzinando l’energia durante i periodi di bassa domanda e rilasciandola quando necessario, i costi possono essere significativamente ridotti.

2.3 Bassi costi di produzione:

I sistemi di accumulo dell’energia richiedono molte batterie per soddisfare la domanda di energia. Ad esempio, la quantità di energia utilizzata all’ora viene misurata in megawattora (MWh). Per le batterie dei veicoli elettrici, è in kilowattora (kWh). Questa è una differenza di 1.000 volte!

Dato l’enorme numero di batterie necessarie per ESS, una tecnologia per batterie più costosa non è economicamente sostenibile.

3. Affrontare il problema della fuga termica nelle batterie

La fuga termica rimane una preoccupazione urgente. Quando le batterie agli ioni di litio raggiungono uno stato di autoriscaldamento incontrollato, possono causare incendi, fumo ed espulsione di gas, particolato e schegge.

Diversi tipi di batterie agli ioni di litio mostrano una fuga termica a temperature diverse. Ad esempio, NCA, NMC e LCO sono tipi di batterie agli ioni di litio che presentano un rischio di fuga termica a temperature più basse. Le batterie LFP sono le più sicure.

4. Perché ESS non si preoccupa delle dimensioni e del peso della batteria

A differenza dei veicoli elettrici, dove peso e dimensioni richiedono un'attenta gestione, questi fattori non sono vitali nel funzionamento dei sistemi di accumulo dell'energia (ESS). Questo perché questi dispositivi sono generalmente alloggiati in contenitori o unità di stoccaggio.

Il costo del terreno per l’installazione dell’ESS è solitamente minimo, rendendo la dimensione della batteria un fattore minore nella spesa complessiva. Il peso non è un problema in quanto non influenza le prestazioni della batteria come nei veicoli elettrici.

5. Batterie ESS e LFP: cruciali per il futuro dell'energia alternativa

La domanda di elettricità è alle stelle. Infatti, McKinsey prevede che entro il 2050 il consumo globale di elettricità raddoppierà. Tutto ciò che utilizziamo richiede energia e i veicoli elettrici aumentano il carico della rete.

Le forme tradizionali di energia come il nucleare, l’idroelettrico e il carbone non sono sufficienti a soddisfare la crescente domanda. Molti paesi si trovano ad affrontare notevoli ostacoli normativi e vincoli edilizi. Anche se questi potessero essere eliminati, la realizzazione delle infrastrutture potrebbe richiedere un decennio o più.

Le fonti energetiche alternative come l’eolico e il solare, con requisiti più semplici e un crescente sostegno pubblico, possono in genere essere create più rapidamente. L’Agenzia internazionale per l’energia (IEA) sottolinea l’impennata dell’energia pulita, prevedendo un aumento di un terzo della capacità tra il 2022 e il 2023.

Anche se le energie alternative potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nel nostro futuro, dipendono dalle condizioni meteorologiche. Non sono in grado di produrre energia in modo coerente, necessitano di ESS per immagazzinare energia, soddisfare i cicli di domanda di picco e fornire energia in condizioni meteorologiche avverse.

I sistemi di accumulo dell’energia possono anche appiattire i picchi di potenza, migliorando l’efficienza delle centrali elettriche. Aiutano a fornire elettricità più coerente e stabile, prolungando la durata di vita delle centrali elettriche.

Tutto ciò indica che le batterie al litio ferro fosfato (LFP) sono una scelta promettente per il futuro. LFP offre un ciclo di vita elevato, bassi costi di produzione e un rischio minimo di fuga termica, rendendoli ideali per i requisiti ESS.

Recentemente sono emerse le batterie LMFP, una variante LFP con manganese come componente catodico, che mostrano ottime prestazioni nei veicoli elettrici. Considerati i costi di produzione, questa nuova chimica delle batterie potrebbe rappresentare una soluzione competitiva per i sistemi di accumulo dell’energia.