Bari, 26/07/2011
Veicoli elettrici ricaricabili da rete:
sfide e opportunità da cogliere
6 - Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Giuseppe Mauri
Dip. Sviluppo del Sistema Elettrico
Ricerca sul Sistema Energetico - RSE
Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 – Giuseppe Mauri
Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Batterie per applicazioni Veicolari
Elemento chiave è la batteria
che ne determina, a parità di
prestazioni, i costi e le criticità!
Emas Ital Design Giugiaro
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Batterie per applicazioni Veicolari
ieri
oggi
domani
Fuel Cell
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Requisiti richiesti agli accumulatori elettrochimici per il
veicolo elettrico
!
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
I minimi obiettivi economici e prestazionali
Criteri del consorzio USABC per i veicoli elettrici:
Parametro
Obiettivi minimi
Densità di potenza [W/l]
600
Picco di potenza specifica in scarica all’80% DOD
(depth of discharge), per 30 s [W/kg]
400
Densità di energia (tasso di scarica C/3) [Wh/l]
300
Energia specifica (tasso di scarica C/3) [Wh/kg]
200
Rapporto tra potenza specifica ed energia specifica
2:1
Dimensione del pacco batteria [kWh]
Cicli di vita (DOD = 80%) [num.]
Tempo di vita [anni]
40
1000
10
Costo specifico (con una produzione di 25000
unità l’anno da 40 kWh) [$/kWh]
100
Temperatura di lavoro [°C]
Tempo di ricarica normale [ore]
Tempo di ricarica rapido
da -40 a +85
da 3 a 6 ore
15 minuti fino all’80% del SOC
(state of charge)
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Scegliere le caratteristiche
I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densità
di energia principalmente legate al basso peso dei materiali.
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Batterie e ioni di Litio
1.
2.
Batterie agli ioni di litio con elettrolita liquido
Batterie litio ioni-polimeri
Catodo: ossido litiato di metallo di
transizione con struttura a strati o
tunnel (LiCoO2, LiFePO4, NCA,..)
Anodo: Grafite o titanato di litio
Elettrolita: Sali di litio disciolti in
solvente organico
LiCoO2 + 6C
Carica
→
←
Scarica
SEI: strato di separazione
all’interfaccia anodo-elettrolita.
Li x C 6 + Li1− x CoO2
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Batterie e ioni di Litio
Vantaggi:
Alta densità di energia e di potenza
Bassa resistenza interna
Alta efficienza energetica
Numero elevato di cicli di vita
Rendimento amperorametrico unitario
Svantaggi:
Sensibilità alla sovraccarica e alla sovratemperatura
Necessitano di sistemi elettronici di gestione e controllo per le singole
celle e la batteria
Costi ancora elevati (400 – 1000 /kWh)
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Da che cosa dipendono le prestazioni delle celle per
applicazioni veicolari?
Dai MATERIALI che devono essere:
a basso costo
disponibili in grandi quantità
non inquinanti
processi industriali a bassa
tecnologia
alto livello di sicurezza
Dalla costruzione della cella e dall’assemblaggio delle celle che deve essere
STANDARDIZZATO
Dal meccanismo di controllo della TEMPERATURA dell’accumulatore a bordo veicolo
Dalla strumentazione di controllo del funzionamento della batteria
La ricerca su questi temi già pronta a passare dal livello di
laboratorio al livello pre-industriale
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- S.Bodoardo
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
I COSTI DEI DIVESI MATERIALI
anodo
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catodo
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Batterie Zebra
La batteria ZEBRA appartiene alla famiglia degli accumulatori
elettrochimici ad alta temperatura. Temperatura interna di lavoro
attorno ai 300 °C.
Presenta elettrodi allo stato fuso,
divisi da un separatore ceramico:
Catodo: cloruro di nichel
Anodo: sodio allo stato liquido
Separatore: ” – allumina che
svolge anche la funzione di
elettrolita
2 Na + NiCl 2
Scarica
→
←
Carica
Ni + 2 NaCl
Elettrolita liquido: costituito dal
tetracloroalluminato di sodio
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
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Batterie Zebra
Vantaggi:
Insensibilità alla temperatura ambiente
Alta densità di energia
Numero elevato di cicli di vita
Rendimento amperorametrico unitario
Svantaggi:
Bassa potenza di picco
Autoconsumo necessario per garantire la temperatura
funzionamento (in stand-by e scollegata da rete)
interna
di
Necessitano di sistemi elettronici di gestione e controllo della batteria
Costi ancora elevati (600 /kWh)
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Batterie provate
Batteria Thundersky
Batteria GAIA
Batteria Kokam
Batteria ZEBRA
Le prove di caratterizzazione per
applicazioni veicolari hanno
coinvolto:
due batterie litio-ioni
una batteria litio-ioni-polimeri
una batteria ad alta temperatura
Sodio/Cloruro di Nichel
Le prove sono state effettuate su batterie nuove.
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
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Caratteristiche delle batterie provate
Produttore
FZ SONIK ZEBRA
Thundersky
Modello
Z5-278-ML3C-64 Z5-557-ML3C-32
TS-LFP90AHA
GAIA
HP 602030
NCA
Kokam
SLPB
70460330
Litio-ionipolimeri
n.d.
n.d.
Tipologia
Alta temperatura
Alta temperatura
Litio-ioni
Litio-ioni
Anodo
Catodo
Sodio
Cloruro di nichel
NaAlCl4 e ’’allumina
Sodio
Cloruro di nichel
NaAlCl4 e ’’allumina
Grafite (C6)
LiYFePO4
LiPF6 elettrolita
organico
Grafite (C6)
NCA
LiPF6 elettrolita
organico
64
32
90
45
100
278
557
36
36
37
18
18
3,2
1,7
3,9
234
117
270
450 (limitato a
150 dal BMS)
500
1000
1000
>2000
>1000
1200
Elettrolita
Capacità nominale
[Ah]
Tensione nominale
[V]
Energia nominale
[kWh]
Massima corrente
di scarica [A]
Vita attesa [cicli]
DOD 80%
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n.d.
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
veicolari
Conclusioni 1
Le batterie al litio presentano un rendimento energetico
generalmente superiore al 90%
Le batterie al litio risentono della temperatura ambiente e le
prestazioni sono ridotte a bassa temperatura
La batteria ZEBRA presenta un rendimento compreso tra il 70 e il
90%
La batteria ZEBRA risente dei regimi di scarica più elevati
L’elevata resistenza interna della batteria ZEBRA determina limiti
sulla massima potenza erogabile
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Evoluzione degli accumulatori per applicazioni
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Conclusioni 2
Tra le batterie in prova Kokam e GAIA sono le più prossime agli
obiettivi forniti dall’USABC per il picco di potenza in scarica
La batteria litio-ioni-polimeri Kokam ha densità di energia prossima
agli obiettivi forniti dall’USABC
La batteria ZEBRA potrebbe acquisire nuovo interesse sia mediante il
miglioramento della tecnologia che attraverso lo sviluppo di sistemi
ibridi con supercondensatori
Sono in corso prove per verificare gli effetti dell’invecchiamento
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Questo lavoro è stato finanziato da:
Ricerca di Sistema per il Settore Elettrico
Research Fund for Italian Electric System
Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico
nell’ambitodell’Accordo di Programma tra ERSE ed il Ministero dello Sviluppo Economico D.G.E.N.R.E. stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM 19 marzo 2009.
Grazie per la vostra attenzione!
[email protected]
www.rse-web.it
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