Guida definitiva all'invecchiamento della batteria

Per molti fornitori di servizi energetici e di trasporto è una priorità garantire la longevità e le prestazioni ottimali delle proprie batterie. Comprendendo meglio l’invecchiamento della batteria possiamo imparare come prolungarne la durata.

Articolo da | Accurata intelligenza della batteria

Questo articolo introdurrà molti nuovi termini sull'invecchiamento della batteria agli ioni di litio. Poiché non tutti sono esperti di batterie, lasciatemi spiegare alcuni termini fondamentali per aiutarci ad affrontare meglio il tema dell'invecchiamento della batteria:

Termine chiave

Definizione

L’invecchiamento della batteria è molto complesso, non lineare e influenzato da molti parametri. Si può osservare ad esempio che le batterie invecchiano anche se non vengono utilizzate. Ma, in generale, le batterie invecchiano più velocemente se vengono utilizzate. Per gestire la complessità, è pratica comune suddividere l'invecchiamento in tre segmenti: invecchiamento calendariale, ciclico e reversibile:

Quando le batterie invecchiano, avvengono contemporaneamente diversi meccanismi di invecchiamento. Ogni meccanismo di invecchiamento ha un impatto sul comportamento della batteria. L'impatto può essere scomposto in due parametri prestazionali: capacità e resistenza interna.

Le batterie perdono capacità quando invecchiano. Per un veicolo elettrico, la perdita di capacità significa che il veicolo elettrico non può percorrere la stessa distanza senza fermarsi per ricaricarsi. E per lo stoccaggio stazionario dell’energia, significa che la batteria può immagazzinare meno energia e quindi generare meno entrate. La velocità con cui diminuisce la capacità dipende da una serie di fattori tra cui il tipo di batteria, la velocità di carica e scarica, le temperature a cui è esposta e il numero di cicli a cui è stata sottoposta.

Osservando l'invecchiamento di una batteria agli ioni di litio, la tendenza all'invecchiamento può essere approssimativamente suddivisa in tre fasi, come illustrato nella Figura 1:

Figura 1: Invecchiamento della batteria: ciclo di vita tipico della capacità della batteria‍

A differenza della perdita di capacità, la resistenza interna di una batteria aumenta nel tempo, il che porta viceversa a una riduzione della potenza. Ciò è particolarmente rilevante per i veicoli elettrici ibridi (HEV). Aumentare la resistenza interna in un HEV significa che non è possibile accelerare più velocemente di prima e che viene recuperata meno energia dalla frenata. Per gli operatori di stoccaggio stazionario ciò significa efficienza e capacità di potenza ridotte.

La causa principale dell'invecchiamento delle batterie agli ioni di litio è la crescita dell'interfase elettrolitica superficiale (SEI). Lo strato SEI si forma sull'elettrodo negativo durante il primo ciclo di carica, comunemente indicato come ciclo di formazione. Il SEI diventa più spesso nel tempo ed è influenzato principalmente dalla chimica dell'elettrolita e dallo stress meccanico dei materiali attivi. Il SEI è tipicamente formato sull'anodo, che è costituito principalmente da grafite, talvolta mescolata con silicio.

Man mano che l'interfase elettrolitica superficiale cresce, lega il litio. Di conseguenza, meno ioni di litio partecipano alle reazioni di carica e scarica e la capacità della batteria diminuisce. Gli ioni di litio passano anche attraverso lo strato SEI quando la batteria viene caricata e scaricata. Quanto più spesso è il SEI, tanto più difficile sarà per gli ioni attraversarlo. Ecco perché la resistenza interna aumenta: il SEI cresce con l'invecchiamento della batteria.

Oltre alla crescita del SEI ci sono numerosi processi aggiuntivi come cracking e corrosione che influenzano l’invecchiamento della batteria, ma ne parleremo in un articolo diverso.

Invecchiamento calendariale

I principali fattori che determinano l’invecchiamento calendariale sono la temperatura e lo stato di carica (SOC). Nel complesso, a temperature e SOC più elevati le batterie invecchiano più velocemente. Una diminuzione media di 10°C o 50°F può raddoppiare la durata di vita di una batteria, come illustrato nella Figura 2. Tuttavia, ricorda di non utilizzare le batterie a temperature troppo basse a causa dell'intreccio del litio.

Figura 2: Confronto dell'invecchiamento della batteria nel tempo a diversi stati di carica e temperature

‍

Con SOC più elevati, soprattutto superiori al 90%, l'invecchiamento della batteria aumenta rapidamente, come illustrato nella Figura 3.3, 4, 5

Figura 3: Confronto dell'invecchiamento della batteria nel tempo in diversi stati di carica