Per quanto già oggi l’accumulo elettrochimico su base Litio offra prestazioni più che competitive ri-spetto alla maggior parte delle altre tecnologie elettrochimiche, con una elasticità di progettazione tale da renderla interessante in svariati campi di applicazione, restano da risolvere principalmente i limiti riguardanti la sicurezza, la ciclabilità, il costo e il range di temperatura di funzionamento. Tutto questo non può prescindere da un contemporaneo incremento prestazionale generale. Inevitabilmente il focus di tutte le ricerche riguarderà la chimica e la fisica dei materiali costituenti le parti attive della cella, ovvero il catodo, l’anodo e l’elettrolita.
Per una migliore comprensione si preferisce suddividere i miglioramenti in via di studio in base ai relativi effetti sulle prestazioni della cella, concentrandosi sugli aspetti di energia, potenza e sicurezza.
3.6.1 Miglioramenti in termini di energia specifica
Fino ad oggi gli interventi eseguiti in questo ambito riguardano il solo utilizzo di un case più leggero oppure un’ottimizzazione della progettazione di cella. Tuttavia, per poter ottenere un sostanziale avan-zamento è necessario sperimentare nuovi materiali.
In sostituzione alla grafite come materiale anodico, si sta indagando su leghe come il Litio-Silicio (Li – Si) e il Litio-Stagno (Li – Sn), che presentano delle capacità specifiche pari a, rispettivamente, 4000 mA h g−1e 990 mA h g−1, contro i 370 mA h g−1della grafite.
Entrambi i materiali in questione non sopportano gli stress introdotti dalle variazioni volumetriche tipi-che delle ossidoriduzioni, per questo motivo si sta sviluppando una particolare nanostruttura dell’elet-trodo in grado di sopportare i cambiamenti di volume garantendo una lunga vita al materiale attivo. Un altro materiale in fase di studio avanzato si basa su degli ossidi di Titanio, che però dispongono di una ridotta capacità di immagazzinamento a fronte di una maggior solidità strutturale.
3.6. RICERCA E SVILUPPO
Da un punto di vista catodico, viceversa, l’attenzione è posta su materiali della famiglia olivine, ed, in particolare, sul Litio ferro fosfato LiFePO4(LFP) per le seguenti ragioni:
• capacità specifica relativamente alta (170 mA h g−1);
• potenziale di lavoro relativo piatto attorno ai 3.5 V;
• costo non eccessivo;
• elevata sicurezza intrinseca dovuta al forte legame covalente P – O che non determina il rilascio di Ossigeno in casi particolari.
In contrasto a questo si ha che tale materiale presenta una resistenza interna elevata, motivo per cui deve essere sottoposto ad un processo di rivestimento con carbone.
3.6.2 Miglioramenti in termini di potenza
Generalmente, per ottenere un miglioramento della velocità di inserzione degli ioni nel catodo, si agi-sce inserendo omogeneamente del carbone nella struttura interna del materiale attivo, migliorando la conduttività elettronica. Inoltre si devono aggiungere dei leganti in modo che il carbone non si “sfaldi” durante il funzionamento della batteria.
Dal punto di vista della ricerca in atto invece, la soluzione sembra essere l’utilizzo di particolari proce-dure che consentono di ottenere morfologie (nanofibre e nanotubi) in grado di trasportare ed indirizzare molto più velocemente gli ioni, incrementando il C-rate.
Infine il rivestimento dell’elettrodo con carbone aumenta la capacità cinetica di intercalazione degli io-ni, che però si contrappone all’incremento del rapporto superficie-volume che determina una riduzione della densità di corrente (e quindi di potenza) a parità di valore nominale, oltre ad una depressione del-la capacità di immagazzinamento (a causa dell’ampia superficie) che porta del-la celdel-la ad incrementare del-la reattività a livelli non accettabili.
3.6.3 Miglioramenti in termini di sicurezza ed affidabilità
La sicurezza rappresenta indubbiamente l’aspetto più pressante in termini di soluzioni innovative, mo-tivo per cui sono presenti diversi studi. Ciò che tuttavia risulta inevitabile, indipendentemente dalla direzione presa, riguarda la correlazione di natura inversa tra la sicurezza e l’energia immagazzinabile, ovvero all’aumentare di una l’altra diminuisce e viceversa.
Una possibile strategia parallela riguarda l’utilizzo di una combinazione di elettrodi tali da lavorare nel campo di stabilità dell’elettrolita, concentrando quindi gli sforzi non solo sugli elettrodi ma anche sul-l’utilizzo di un elettrolita più stabile e sicuro.
La conclusione più ovvia porta inevitabilmente, visto che un elettrolita solido garantisce maggiore sicu-rezza tanto quanto riduce le prestazioni, all’utilizzo di un elettrolita ibrido solido-liquido in cui l’elettro-lita standard venga “ingabbiato” in una matrice polimerica producendo una membrana di tipo gelificato. A causa della presenza di una componente liquida tuttavia, è impossibile annullare i rischi di funziona-mento [9].
Capitolo 4
Battery Management System
4.1 Aspetti generali
Indipendentemente dall’applicazione e dalle potenze in gioco, è logico pensare ad un accurato utilizzo dei SdA in modo da prolungarne la vita utile senza inficiare nelle performance richieste dal servizio. Tale ragionamento, benchè sia di norma applicato in ogni processo di progettazione, svolge un ruolo primario nel contesto dell’accumulo elettrochimico per le seguenti ragioni:
• la capacità di fornire servizi in modo così capillare e differenziato rende le batterie uno strumento particolarmente prezioso, a cui va associata la possibilità di “mobilità” dell’energia che la rende, ad oggi, una tecnologia insostituibile. Proprio per queste ragioni è indispensabile che, una volta chiamata in causa, fornisca il servizio richiesto (nei limiti progettuali del contesto) poichè soli-tamente non presenta dei sistemi di back up che vadano a sopperire ad una sua mancanza. Sotto questi termini è evidente come la sua gestione ottimale sia indispensabile;
• i fenomeni chimico-fisici responsabili del funzionamento e delle sue peculiarità rappresentano, tuttavia, anche il suo punto debole. Le modalità con le quali i processi avvengono, oltre ad essere difficilmente descrivibili analiticamente, determinano le performance e la vita della batteria. Per questo motivo le richieste del sistema in cui l’accumulo è implementato devono essere controllate e gestite;
• la sicurezza del dispositivo, oltre a consentire una maggior durata dello stesso, rappresenta indi-scutibilmente una priorità per assicurare l’incolumità ambientale e degli utenti;
• infine, in particolare per le applicazioni ad alta potenza/energia, i costi particolarmente elevati non consentono la sostituzione del despositivo in intervalli di tempo brevi, motivo per cui una gestione ottimizzata è richiesta. Questo comporta benefici sia per l’investitore sia per la qualità del servizio reso.
L’implementazione e la logica richiesta dal BMS è funzione del servizio che verrà svolto dal SdA. Per applicazioni portatili, come smartphone, tablet e notebook, la gestione richiesta non è particolarmente stringente in quanto le condizioni di funzionamento sono meno stressanti che in altri settori di utilizzo. In questi casi le batterie sono costituite da un numero esiguo di celle, le quali possono non essere controllate singolarmente in quanto difficilmente si possono verificare pesanti squilibri. Le condizioni di funzionamento sono facilmente prevedibili, mentre i bassi costi consentono anche di prevedere una sostituzione della stessa. Tuttavia la sicurezza deve essere garantita, ed, in questo caso, la particolare miniaturizzazione e la difficile ventilazione del dispositivo possono creare problemi.
Viceversa, in applicazioni di potenza ed energia come EV, UPS e servizi di rete, le condizioni di utilizzo non sono facilmente prevedibili e le richieste elettriche comportano importanti stress chimico-fisici e termici. Proprio per le pressanti condizioni di utilizzo si rende necessaria l’implementazione di una logica che ottimizzi contemporaneamente le richieste di rete e che rispetti i vincoli per la salvaguardia del dispositivo. A tutto questo si aggiungono i costi particolarmente elevati e i problemi di sicurezza, motivo per cui è richiesto un monitoraggio continuo cella per cella.