Accumulo
Batterie elettriche
Corso di ENERGETICA
A.A. 2015/2016
Docente: Prof. Renato Ricci
Principi di funzionamento
Una batteria è un dispositivo che converte l’energia chimica
contenuta nei suoi materiali attivi in energia elettrica per
mezzo di una reazione elettrochimica di ossidoriduzione
(redox). Se il sistema è ricaricabile il processo è reversibile.
Questa reazione prevede il trasferimento di elettroni da un
materiale all’altro attraverso un circuito esterno
Nelle reazioni redox non elettrochimiche, come la
combustione, gli elettroni vengono trasferiti direttamente
producendo solo calore come forma di energia che poi è
soggetta al limite del rendimento di Carnot per il 2° principio
della termodinamica. Le batterie hanno quindi un potenziale
di generazione elettrica superiore.
L’unità elementare di una batteria è la cella; le batterie sono
formate da più celle in serie e/o parallelo a seconda della
tensione e della capacità volute.
Una batteria oltre ad unire le celle include sistemi ausiliari e
di controllo dentro un involucro protettivo
I dati elettrici sono però in genere associati alla singola cella
Pila Daniell
Nel 1836 Daniell inventò una pila capace di erogare
una corrente alquanto costante. Questa superava i
problemi della pila voltaica (la polarizzazione
elettrochimica) adottando elettroliti compatibili con
i rispettivi elettrodi. Tale soluzione prevedeva una
separazione di elettroliti tramite ponte salino. IN
questo modo si evitava la produzione di gas agli
elettrodi.
Pag. 2
Principi di funzionamento
Cella
Unità elettrochimica di base
Anodo
Elettrodo negativo
Riducente, dove
Avviene l’ossidazione
Durante il redox
Catodo
Elettrolita
Conduttore ionico,
tipicamente liquido
(acqua o altri solventi
aventi in soluzione Sali,
acidi o alcali); a volte
sono solidi che
diventano conduttori
ionici ad alte
temperature
Elettrodo positivo
Ossidante, dove
avviene la riduzone
durante il redox
Pag. 3
Componenti principali
Gli anodi e catodi migliori sono quelli di materiale più leggero
e tale da avere maggiore voltaggio e capacità
Ci sono spesso limiti pratici legati a
• Reattività con altri componenti della cella
• Polarizzazione elettrochimica
• Difficile gestione dei materiali
• Alti costi
Scelta dell’anodo:
• Buona azione riducente
• Elevata uscita coulombiana (Ah/g)
• Buona conducibilità
• Stabilità
• I materiali più diffusi sono i metalli: lo zinco è stato usato
molto; il litio è il metallo più leggero e alto equivalente
elettrochimico
Scelta del catodo
• Buona azione ossidante
• Stabilità a contatto con l’elettrolita
• Può essere usato direttamente l’ossigeno (vedi batterie
zinco-aria)
• Si usano spesso ossidi metallici
Pag. 4
Principi di funzionamento
L’elettrolita
• deve avere buona conduttività ionica ma non deve essere
conduttivo elettronicamente, onde evitare cortocircuitazione elettronica interna
• Non deve essere reattivo con i materiali degli elettrodi
• Relativa stabilità delle proprietà con la temperatura
• La maggior parte è fatta da soluzioni acquose
L’anodo e il catodo sono elettronicamente isolati nella cella
per evitare corto circuiti: vengono in pratica separati
meccanicamente da un setto separatore che è permeabile
all’elettrolita, in modo da mantenere la conduttività ionica
Agli elettrodi sono di solito aggiunte delle strutture reticolari
di materiale conduttivo elettricamente allo scopo di ridurre la
resistenza elettrica interna
Le celle sono sigillate in diversi modi per evitare il
trafilamento o il seccamento del materiale elettrolitico
Pag. 5
Classificazione
Celle e batterie
Batterie di riserva
Primarie
Incapaci di essere ricaricate
elettricamente, perciò usa e
getta. Si parla di celle secche
se non c’è un liquido
elettrolita libero ma è
assorbito dal materiale
separatore.
• Convenienti
• Leggere
• Alta densità energetica
Sono batterie primarie
aventi un componente
chiave (di solito
l’elettrolita) isolato prima
dell’attivazione: si
elimina il deterioramento
e l’autoscarica (es. usate
nei missili)
Secondarie
Possono essere ricaricate,
sono dette «accumulatori»
• Alta densità di potenza
• Alta velocità di scarica
• Curve di scarica piatte
• Densità energetica
minore alle primarie
Fuel cell
I materiali attivi sono
alimentati presso gli
elettrodi che fungono da
catalizzatori
• Anodo gassoso o
liquido
• Ossigeno o aria
come ossidante
Pag. 6
Principi di funzionamento
Batterie secondarie
Esempio di batteria
secondaria zinco-cloruro.
Reazioni di scarica:
Scarica
Gli elettroni fluiscono
esternamente dall’anodo,
che si ossida, al catodo
dove il materiale si riduce
Carica
Pag. 7
Parametri
•
•
•
•
•
Energia libera: la variazione di en. libera G in una
reazione di cella è il «motore» che fornisce l’energia
elettrica al circuito esterno
Voltaggio teorico V
dipende dai potenziali di riduzione dei materiali attivi
Capacità teorica coulombiana (Ah/g) è valutata in
base agli equivalenti elettrochimici dei materiali attivi
I valori teorici non tengono conto dell’acqua
nell’elettrolita e altri materiali coinvolti nelle reazioni
Energia teorica: voltaggio teorico per capacità teorica
(Wh) = (V) x (Ah)
Energia teorica specifica
Esempi: Voltaggio teorico
Energia teorica specifica
(Wh/g) = (V) x (Ah/g)
La capacità dipende dal tipo e dalla quantità di
materiali. L’energia specifica reale è nettamente minore
della teorica per via di altri materiali presenti come
l’elettrolita, involucro, separatori etc.
Una cella inoltre non si scarica alla tensione teorica e
non si scarica completamente fino a 0 V
I materiali attivi poi non sono in proporzioni
stechiometriche di solito reazione non completa
Pag. 8
Parametri
•
•
•
DoD = Depth of discharge – Profondità di scarica % capacità nominale
Self discharge = (auto scarica) perdita di carica a circuito aperto in % di capacità nominale/
ora
SOC = state of charge, stato di carica in %. A fine vita una batteria può vedersi ridotta la
capacità all’80 % degli Ah nominali iniziali. Tuttavia il SOC è spesso calcolato in riferimento alla
capacità istantanea, quindi una siffatta batteria appena caricata avrebbe con tale definizione
comunque SOC=100%
Esempio di possibile
legame tra SOC e tensione
di circuito aperto. Valido in
particolare per le batterie
secondarie al piombo
Pag. 9
Capacità specifiche
Batterie primarie
Batterie secondarie
Pag. 10
Capacità specifiche
Pag. 11
primarie
Capacità specifiche
secondarie
Le capacità massiche e le volumetriche risultano generalmente
correlate. Tra i casi particolari troviamo le batterie al litio in confronto
a quelle NiMH che hanno una differenza in peso molto più marcata di
quella in volume.
Pag. 12
Capacità specifiche
Wh/kg : evoluzione negli anni
Pag. 13
Batteria al piombo
Dispositivo di successo per più di un secolo Planté in
1860. Usa diossido di piombo come materiale attivo al
catodo e piombo metallico all’anodo; come elettrolita
una soluzione acquosa di acido solforico
Vantaggi
• Economica, facile da costruire
• Disponibilità su ampio range di capacità
• Ottima corrente di spunto
• Buona efficienza (>70%) come energia in uscita su
energia in ingresso
• Voltaggio di cella elevato >2.0 V (il più alto dei
sistemi con elettrolita acquoso)
• Facile calcolo del SOC
• Componenti facilmente riciclabili
Svantaggi
• Ciclo di vita limitato: spesso <500 cicli
• Bassa densità di energia: 30-40 Wh/kg
• Se lasciata a lungo scarica ->deterioramento
irreversibile (solfatazione = aumento della
resistenza interna per accumulo di cristalli di solfato
di piombo)
• Difficile da realizzare in piccole dimensioni, dove
primeggiano le Ni-MH o le ioni di Li
Pag. 14
Batteria al piombo
Curva di scarica
Per indicare la corrente di scarica o di carica si usa scriverla in «C rate»
Dove Cn è la capacità dichiarata dal costruttore in (Ah) per una
scarica lunga n ore. M quantifica quindi la corrente della batteria in
oggetto in unità di Cn
Il voltaggio iniziale in scarica è
minore del voltaggio teorico per
via della resistenza elettrica interna
di cella. Durante la scarica la
tensione cala ancora per l’aumento
di resistenza di cella dato
dall’accumulo dei prodotti di
scarica e per altri fenomeni come
la polarizzazione
All’aumentare della corrente di
scarica (drain) si riduce anche la
capacità di carica effettiva
erogabile
Pag. 15
Batteria al piombo
Pag. 16
Batteria al piombo
Esempio di modello batterie al piombo per applicazioni fotovoltaiche
Pag. 17
Batteria al Litio
Impiega dei composti intermedi del litio, durante un ciclo di carica-scarica
avviene uno scambio di ioni Li+ tra catodo e anodo (la tensione dipende dalla
differenza di energia libera di questi due cristalli). L’elettrodo positivo è di solito
un ossido metallico (es. ossido di cobalto litio) mentre l’elettrodo negativo è di
grafite su un collettore di rame. Tipi più importanti:
1. Ioni di litio -> il litio compare non in forma metallica ma all’interno di
composti, a vantaggio della sicurezza
2. Litio ione polimero -> elettrolita solido polimerico, più sicura, involucro più
leggero, ma tasso di scarica basso
3. Litio-ferro-fosfato LiFePO4 -> maggiore stabilità termica e chimica di
quella a ioni di litio, resiste meglio a corto circuiti e sovraccarico, elimina
problemi del cobalto al prezzo di un 15 % di densità di energia in meno
Vantaggi
•
Batterie sigillate -> nessuna manutenzione
•
Lungo ciclo di vita
•
Ampio range di temperature
•
Bassa auto-scarica
•
Capacità di carica rapida
•
Scarica ad alta potenza
•
Alta efficienza energetica
•
Alta densità di energia
•
Nessun effetto memoria
Svantaggi
•
Costo ancora maggiore
•
Degradazione ad alta temperatura
•
Necessaria circuiteria di protezione e monitoraggio temperatura
•
Il litio è molto reattivo
Pag. 18
Sistema standalone ibrido
•
•
•
•
•
La variabilità del carico si combina
anche con la disponibilità energetica
variabile
Eolico e fotovoltaico da noi si
compensano a livello stagionale (vento
più intenso nei mesi invernali)
Il generatore eolico tipico per questi
sistemi oggi è l’alternatore sincrono a
magneti permanenti con raddrizzatore e
convertitore DC-DC
La capacità della batteria deve
sopperire alle variabilità in gioco per
mantenere il servizio nel tempo con i CF
delle fonti
Le unità di controllo sono di solito
dedicate ai singoli dispositivi (MPPT
eolico, MPPT fotovoltaico, BMS per
lebatterie)
Sezione 2.1
Una batteria, per es. in un impianto
domestico, può massimizzare l’autoconsumo
di energia rinnovabile.
Il regolatore di carica BMS
• Protezione cella
• Controllo di carica
• Calcolo SOC
• Bilanciamento celle
• Monitoraggio temperature critiche
6/27/2016
Sistema standalone ibrido: accumulo inerziale
I volani per l’accumulo inerziale stanno tornando attuali per le
applicazioni in cui sono richiesti dei picchi di potenza
Vantaggi
•
L’elevata efficienza energetica, comunemente 85-90 %
•
L’elevatissimo numero di cicli di scarica possibili, senza
penalizzare sensibilmente le loro prestazioni nel tempo
•
La compatibilità con estesi intervalli di temperatura
•
L’alta densità di energia e potenza, in particolare per i volani ad
alta velocità (in carbonio)
D’altronde essi soffrono di alcuni svantaggi:
•
Elevate perdite permanenti
•
Tassi di auto-scarica alti, dell’ordine del 20 % della propria
capacità per ogni ora
Sezione 2.1
6/27/2016
Vari sistemi di accumulo
PHS=sistemi di pompaggio idraulico; FESS=accumulo inerziale; SCESS=sistemi a supercapacitore
Pag. 21
Riferimenti
Pag. 22
Riferimenti
Electropaedia http://www.mpoweruk.com/index.htm
Linden, David, and Thomas B. Reddy, eds. Handbook of Batteries. (Varie edizioni).
McGraw-Hill Handbooks. New York: McGraw-Hill
Pag. 23
