New Power Progress | Il lato più sicuro delle batterie al litio

Il CEO di Flash Battery, Marco Righi, racconta a Roberta Prandi gli ultimi sviluppi tecnologici e il tema della sicurezza delle batterie al litio

Riguardo agli sviluppi in campo industriale, sembra di capire che le batterie con chimica LFP siano le preferite per diverse caratteristiche, quali i maggiori cicli vita e la sicurezza. Scopriamo insieme a Marco Righi vantaggi, limiti e sfide future di questa tecnologia.

Ci vuole spiegare quali sono esattamente questi vantaggi?

La chimica LFP, tra tutte, risponde al meglio alle esigenze specifiche del settore industriale. È la chimica più sicura e stabile che si possa trovare sul mercato, disponibile in formati di grande capacità, come richiesto dai sistemi industriali e off-Highway, senza aver bisogno di collegare in parallelo tante piccole celle che ne abbasserebbero la stabilità, compromettendo la sicurezza dell’intera macchina.

La sicurezza intrinseca della chimica [della batteria] e i cicli vita raggiungibili sono i due parametri fondamentali da tenere in considerazione nel momento in cui si va a scegliere la tipologia di batteria più adatta per una determinata applicazione.
Flash Battery ha scelto la chimica LiFePo4 per le applicazioni industriali e off-Highway, in quanto garantisce oltre 4000 cicli di vita.

Quali sono i limiti della tecnologia LFP?

La densità energetica. La chimica LFP, infatti, ha un peso ed un volume tendenzialmente 30% superiori rispetto ad una chimica NMC. Per un uso industriale, però, questo non è da considerarsi un limite, in quanto molto spesso si ha sufficiente spazio a disposizione. Talvolta, si ha addirittura la necessità di aggiungere della zavorra in applicazioni controbilanciate.

D’altro canto, per tutte quelle applicazioni che hanno bisogno di potenza e leggerezza, come ad esempio auto o moto da competizione, bisogna scegliere chimiche più spinte, in cui è importante avere peso ridotto e dimensioni compatte anche a costo di un ciclo vita inferiore.

Mentre per tutte quelle applicazioni più di energia che di potenza, ovvero con tempi di scarica più lunghi, come la maggior parte delle applicazioni industriali, è importante scegliere chimiche dalla tecnologia più sicura e che garantiscano cicli di vita più lunghi, come ad esempio l’LFP.

Si sente sempre di più parlare del fatto che le batterie LFP abbiamo la necessità di un bilanciamento e conseguente controllo molto preciso. Flash Battery ha sviluppato un proprio sistema di controllo: ci spiega le caratteristiche e le particolarità?

I software di gestione della batteria (Battery Management System) fanno la differenza nello sfruttare al meglio la chimica utilizzata, garantendo affidabilità e performance nel tempo e ricoprono un ruolo molto importante nelle fase di scarica, ed in particolare nella fase di carica.

Il Flash Balancying System è il sistema di bilanciamento elettronico proprietario di Flash Battery, che agisce  su ogni singola cella con un bilanciamento combinato, ovvero sia in attivo che in passivo, 20 volte superiore rispetto a quella delle tradizionali batterie al litio, non soltanto durante la ricarica, ma anche in modo attivo durante la scarica.

Questo permette di avere un bilanciamento 20 volte più veloce, inferiore ai 30 minuti nelle applicazioni cicliche, rendendolo insignificante sul tempo complessivo di ricarica. Le celle al litio vengono mantenute equalizzate ed efficienti per tutta la durata di vita della batteria, che si attesta oltre i 4.500 cicli di ricarica.

Il BMS, se progettato in modo attento e minuzioso, garantisce la stabilità delle prestazioni nel tempo, previene eventuali anomalie e svolge autodiagnostica e manutenzione predittiva, fornendo un controllo completo del pacco batteria. Questo è uno dei motivi per cui Flash Battery ha sviluppato il Flash Data Center, una piattaforma proprietaria che analizza quotidianamente tutti i cicli di carica e scarica delle batterie interconnesse. Tramite algoritmi di intelligenza artificiale il Flash Data Center previene eventuali anomalie prima che si verifichino, inviando alert automatici al service center Flash Battery ed evitando così, onerosi fermi macchina.

Quale sarà secondo Lei il futuro a medio termine per le batterie nelle applicazioni industriali? Ci sono alternative in vista alla chimica LFP?

La chimica LFP sta vivendo una seconda giovinezza, dai 100 Wh/kg di qualche anno fa, ora questa chimica è arrivata a 170 Wh/kg facendo sì che anche il mondo dell’automotive abbia iniziato ad interessarsi a questa tecnologia, partendo da Tesla sulla Model 3, ed altre aziende come BYD fino al gruppo Volkswagen. Crediamo quindi che la chimica LFP abbia ancora davanti a sé anni fiorenti, sia per le applicazioni industriali, che automotive.

Riguardo alla sicurezza delle batterie LFP, Flash Battery elenca una serie di caratteristiche positive: la più alta temperatura di decomposizione, il minor rilascio di calore, la reazione a corto-circuiti interni… Ce lo può spiegare nel dettaglio?

Flash Battery negli anni è riuscita a garantire la massima sicurezza delle batterie lavorando su 3 aspetti fondamentali: la scelta della giusta chimica di litio, il corretto assemblaggio del pacco batterie e l’elettronica di controllo proprietaria.

La focalizzazione sul mercato industriale ha permesso all’azienda di lavorare al fianco di svariati OEM europei, realizzando batterie su misura nel rispetto degli spazi e degli ingombri dettati dal mezzo, offrendo tensioni e capacità ad hoc per le esigenze di lavoro.

Abbiamo due caratteristiche principali da tenere in considerazione, la prima è la temperatura di decomposizione, perché più è alta è più sarà difficile portarsi nelle condizioni di decomposizione e quindi, la cella della batteria al litio risulterà più sicura. La seconda è il calore rilasciato, misurato in Joule per grammo, che indica l’energia che può rilasciare la cella della batteria sottoforma di calore, contribuendo così all’aumento della temperatura. Più questo valore è basso, più la batteria al litio sarà sicura.

Il nostro obiettivo è identificare la tecnologia di batteria più sicura per il mezzo del cliente. I nostri tecnici del comparto ricerca e sviluppo non si limitano allo studio teorico delle chimiche, ma effettuano anche diversi test per “stressare” le batterie e sperimentare migliorie. Uno dei test effettuati è il Nail Penetration Test (Test Di Perforazione) che consiste nel perforare una batteria con un chiodo simulando un cortocircuito interno.

Chiaramente, si tratta di test che vengono effettuati in laboratorio, in condizioni controllate e di sicurezza e le probabilità che una cella venga penetrata nell’ uso comune in una batteria al litio installata su veicoli elettrici e macchine industriali è decisamente bassa. Noi però prendiamo in esame questo test, perché simula la peggior cosa che può capitare ad una cella, ovvero il corto circuito interno che può avvenire per eventuali difetti di fabbricazione o abuso.

L’assemblaggio delle celle è il secondo elemento, dopo la chimica, a determinare la sicurezza della batteria al litio. Quando le batterie al litio vengono assemblate con celle di piccola taglia, bisogna inserire un numero molto elevato di celle in parallelo. Pensiamo ad una batteria da 400Ah. Se fosse composta da celle cilindriche da 3Ah, servirebbero 130 celle in parallelo, se invece questa fosse composta da celle prismatiche da 50Ah, le celle in parallelo necessarie sarebbero solo 8.

Quindi, se una di queste celle dovesse andare in corto, nel primo caso si troverebbe ad assorbire 130 volte la sua capacità, nel secondo caso 8 volte.

Le batterie al litio Flash Battery vengono realizzate con al massimo 4 celle in parallelo. Secondo i nostri studi, è la conformazione migliore nella quale le nostre batterie possono garantire sicurezza in ogni situazione.

Il terzo e ultimo aspetto per garantire la sicurezza dell’interno pacco batteria al litio è l’elettronica che controlla la batteria: Il BMS.

Uno dei suoi aspetti principali è quello di monitorare la tensione e la temperatura delle singole celle oltre che dialogare con veicolo e il carica batterie per bloccare carica e scarica in caso di situazioni critiche ed eventualmente intervenire sui teleruttori generali.

Una delle principali differenze tra i produttori di batterie al litio è nel come funziona l’elettronica di controllo in situazioni di pericolo.

Flash Battery è nata proprio dallo studio delle criticità che si manifestavano in passato lato elettronica e che limitavano l’affidabilità e la sicurezza nelle batterie al litio. È da questo che siamo partiti ed è ciò su cui abbiamo puntato per differenziarci dagli altri produttori, sviluppando il nostro sistema di bilanciamento e quello di controllo remoto. In Flash Battery la misurazione della temperatura viene fatta in maniera diffusa e nei punti giusti, in modo da verificare anche le resistenze di contatto attraverso due sensori di temperatura su ogni cella.

Il glossario delle batterie

Litio NMC – Lithium Nikel Manganese Cobalto
Litio NCA – Lithium Nikel Cobalt Alluminum
Litio LFP – Lithium Iron Phosphate
Litio LCO – Lithium cobalt oxide
Litio LMO – Lithium Iron Manganese Oxide
Litio LTO – Lithium Titanium Oxide

LCO e LMO, sono le chimiche più antiche e ad oggi le meno utilizzate; NMC e NCA sono quelle che attualmente la fanno da padrone nel settore automotive o in generale per i veicoli premium, perché permettono di ottenere le maggiori densità energetiche e maggiori autonomie; e poi abbiamo la LFP, la chimica più sicura e stabile sul mercato, seguita dall’LTO.

Le tecnologie evolvono di continuo, ma le peculiarità della chimica rimangono le stesse,  quindi NCA e NMC sono le migliori dal punto di vista della densità energetica e sono quelle di maggiore interesse per il settore automotive che richiede alte performance. Il ciclo vita per l’automotive, non è una caratteristica fondamentale, perché l’utilizzo medio di un’auto non è intensivo, si utilizza giornalmente una piccola parte di energia della batteria, limitando così i cicli completi tra i 100 e i 200 all’anno circa. Per questi motivi, la batteria avrà una vita superiore a quella del veicolo stesso.