Batterie: Il pericolo del freddo, come le batterie al litio superano bene l'ibernazione

Che si tratti di una potente batteria di consumo o di una fonte di energia per il motore fuoribordo elettrico, negli ultimi anni le batterie al litio-ferro-fosfato, o LiFePO4 o LFP in breve, si sono trasformate da un'opzione di lusso a una diffusa fonte di energia di bordo. Quella che un tempo era considerata una modifica costosa e rischiosa è ora considerata un aggiornamento ampiamente accettato e in grado di migliorare il comfort. Tuttavia, la tecnologia ha le sue insidie e può essere rapidamente danneggiata da una manipolazione scorretta in inverno; sebbene ciò valga anche per le batterie al piombo-acido, in quel caso era una conoscenza comune e la sostituzione era generalmente meno costosa.

Il lato oscuro delle batterie al litio

Nonostante l'entusiasmo, le batterie LFP presentano un aspetto negativo raramente discusso: Le scariche profonde riducono drasticamente la durata delle batterie e possono portare a un guasto totale ancora più rapidamente rispetto alle batterie al piombo. Durante la stagione, non è un problema tenere sotto controllo il livello di carica. In inverno, invece, è più difficile, soprattutto perché con le temperature più basse entra in gioco un ulteriore fattore.

Cosa succede quando la batteria è profondamente scarica

Per capire perché la scarica profonda è così problematica con le batterie LiFePO4, è opportuno dare un'occhiata alla chimica. Le batterie LiFePO4 utilizzano il fosfato di ferro di litio come materiale catodico, una differenza fondamentale rispetto alle altre batterie agli ioni di litio. Mentre l'ossido di litio cobalto o l'ossido di litio nichel manganese cobalto sono utilizzati in altri tipi di batterie, il fosfato di litio e ferro è chimicamente molto più stabile e meno incline al runaway termico, rendendo le LiFePO4 una scelta sicura per le applicazioni ad alta energia. La struttura del fosfato consente inoltre un'elevata velocità di diffusione degli ioni di litio, che permette una carica e una scarica rapide.

Una caratteristica particolare delle celle LiFePO4 è la loro tensione nominale inferiore, pari a 3,2 volt per cella, rispetto ai 3,6-3,7 volt delle altre tecnologie agli ioni di litio. D'altra parte, offrono una curva di scarica notevolmente piatta: la tensione rimane quasi costante per la maggior parte del processo di scarica, il che è positivo per il funzionamento a bordo. Tuttavia, proprio questa curva piatta diventa un problema durante la scarica profonda: quando si raggiunge il limite di capacità, la tensione crolla improvvisamente.

Durante il normale funzionamento, gli ioni di litio migrano dal reticolo cristallino del catodo durante il processo di carica e vengono incorporati nella struttura di grafite dell'anodo - un processo chiamato intercalazione. Durante la scarica, la reazione avviene al contrario: gli ioni di litio migrano dall'anodo al catodo. La struttura di fosfato di ferro del catodo assorbe prontamente gli ioni di litio di ritorno senza che si verifichino cambiamenti strutturali significativi. Questa capacità di assorbire gli ioni di litio senza degradarsi è il motivo della lunga durata delle batterie LiFePO4 in condizioni di utilizzo normale.

Tuttavia, se la tensione della cella scende sotto i due volt, la situazione cambia radicalmente. Può verificarsi la placcatura del litio. Per placcatura si intende una reazione laterale sul lato anodico in cui il litio elementare si deposita sulla superficie delle particelle invece di intercalarsi. Questi depositi possono formare le cosiddette dendriti, strutture aghiformi che possono penetrare nel separatore tra anodo e catodo. Nel peggiore dei casi, questo porta a cortocircuiti interni che rendono la batteria inutilizzabile. In teoria, la placcatura è reversibile, ma favorisce ulteriori reazioni collaterali che possono danneggiare in modo permanente la batteria.

Inoltre, la struttura cristallina del materiale del catodo, altrimenti stabile, cambia a tensioni molto basse. Questa trasformazione spesso non è completamente reversibile, anche se la batteria viene ricaricata successivamente. La struttura del fosfato, normalmente robusta, viene danneggiata, con conseguente perdita permanente di capacità e aumento della resistenza interna. Mentre una batteria LFP può di solito sopportare cadute a breve termine fino a circa 2,5 volt senza subire danni rilevanti, la situazione diventa critica se rimane sotto i due volt per periodi più lunghi.

A temperature prossime al punto di congelamento, la situazione peggiora ulteriormente: sebbene i processi chimici avvengano più lentamente, la capacità disponibile diminuisce e la tensione crolla più rapidamente, il che significa che l'intervallo critico viene raggiunto prima. La curva di scarica piatta, altrimenti favorevole, significa anche che non c'è quasi alcun preavviso: La batteria sembra avere ancora una capacità sufficiente per molto tempo, finché la tensione non precipita improvvisamente nell'intervallo critico.

Questo spiega perché molti produttori specificano una tensione minima di 2,5-2,8 volt per cella e perché il BMS interrompe la scarica a questi valori. Se la tensione scende al di sotto di questi valori, l'orologio inizia a ticchettare: ogni ora è contata prima che il danno diventi irreparabile e che la chimica dei fosfati, altrimenti durevole, venga danneggiata in modo permanente.

Il BMS come angelo custode

Quasi tutte le batterie LFP sono dotate di un sistema di gestione della batteria (BMS) che mantiene la batteria all'interno di un intervallo operativo sicuro (SOE). Il sistema monitora parametri quali tensione, corrente e temperatura. Se uno di questi parametri raggiunge un valore soglia critico, il BMS interviene e scollega la batteria dal sistema elettrico del veicolo.

Esistono diversi sistemi sul mercato a questo scopo; le batterie ricaricabili per la sostituzione diretta delle batterie al piombo sono solitamente dotate di transistor, cioè di interruttori elettronici. Questi MOSFET sono solitamente in grado di interrompere separatamente il processo di carica e di scarica. Se la tensione diventa troppo alta, i transistor di carica si spengono per mantenere la tensione della cella/pacco entro un intervallo di sicurezza. Se la tensione diventa troppo bassa, il lato di scarica si spegne per evitare danni alle celle. Le batterie che utilizzano relè per controllare il flusso di corrente, invece, isolano completamente la batteria dal sistema elettrico del veicolo.

Alla luce di queste funzioni sofisticate, si potrebbe pensare che le batterie al litio difficilmente possono essere scaricate eccessivamente fino a danneggiarsi. Non è sempre così in inverno.

Per comprendere i dettagli, sono necessarie alcune nozioni di base. Tutte le batterie hanno una certa quantità di autoscarica. Le specifiche delle celle LFP indicano in genere da uno a tre percento al mese. Questo valore si applica a uno stato di carica compreso tra il cinque e il 99%. In questo intervallo, la curva di tensione è relativamente piatta, come si può vedere nel diagramma tensione-capacità. La tensione di una batteria LFP rimane molto stabile in un ampio intervallo. Verso la fine della capacità, tuttavia, la curva diventa improvvisamente ripida e la tensione crolla; è proprio questo che può diventare critico in inverno.

Nella fascia di carica media, un periodo di riposo di alcuni mesi non ha praticamente alcun ruolo e non influisce sulla tensione. La situazione è completamente diversa quando la batteria si avvicina al suo limite di capacità. In questo caso, possono bastare poche settimane per far scendere la tensione delle celle a un livello tale da danneggiare la batteria in modo permanente. Le temperature rigide, che spesso si verificano durante lo stoccaggio invernale, accelerano questo sviluppo, poiché la situazione della tensione si deteriora ulteriormente.

Il BMS e i punti neri segreti

Un ulteriore fattore è il consumo energetico dell'elettronica della batteria. Cose come i moduli Bluetooth, il BMS stesso, gli indicatori e i display consumano tutti una certa quantità di energia. Anche i piccoli consumi interni si sommano nel corso dei mesi. Inoltre, esistono differenze significative nell'autoconsumo tra le marche di batterie e persino tra i modelli di una stessa marca. Il BMS calcola il SOC utilizzando uno shunt interno, ma spesso non ha la risoluzione necessaria per catturare le piccolissime correnti di autoconsumo, il che significa che il livello di carica della batteria visualizzato dall'app può discostarsi notevolmente dal livello di carica effettivo nel tempo. Inoltre, alcuni BMS si spengono quando la batteria viene spenta o entra in modalità sleep e non registrano più la perdita di carica nel tempo.

Di conseguenza, una batteria svernata in autunno con una carica quasi completa può ancora mostrare il 75% di carica dopo diversi mesi di spegnimento. Tuttavia, potrebbe avere una tensione di 12,7 volt, che indica che la carica effettiva è molto inferiore. Solo quando la batteria è completamente carica, i display si sincronizzano di nuovo.

Due cause di morte per batteria

1. Mancanza di capacità residua: Lo stato di carica delle batterie era troppo basso per poter superare l'autoscarica e l'autoconsumo del BMS per tutta la durata dello stoccaggio, soprattutto a temperature molto basse.
2. Correnti di dispersione e consumatori dimenticati: A seconda del produttore, le batterie possono essere spente manualmente o messe in modalità sleep per ridurre il consumo energetico del BMS. Se si dimentica questa operazione, l'autoconsumo può scaricare la batteria per mesi (vedi sopra). Anche le utenze dimenticate o le correnti di dispersione di un impianto elettrico difettoso possono scaricare le batterie più velocemente del previsto; per questo motivo, in inverno è necessario scollegare l'impianto elettrico del veicolo dalla batteria tramite l'interruttore principale.

La quantità di capacità necessaria per evitare la prima causa è determinata dall'autoscarica delle celle e dall'autoconsumo della batteria. Di norma, l'autoconsumo è il maggiore responsabile. Il BMS dovrebbe consumare solo pochi milliampere e, idealmente, passare a una modalità di risparmio energetico ancora più economica dopo un certo tempo senza caricare o scaricare. Tuttavia, questo non funziona sempre in modo affidabile. Se il BMS non si addormenta come previsto, può consumare fino a 200 milliampere. Può sembrare poco, ma è sufficiente per scaricare completamente una batteria da 200 Ah in circa 40 giorni di stoccaggio. Importante da notare: Il collegamento di più batterie in parallelo non cambia la situazione, poiché ogni batteria ha il proprio BMS e quindi si scarica individualmente.

Scaricata in questo modo, la tensione delle celle è probabilmente di circa 2,5 volt, un valore al quale la maggior parte dei BMS scollega la batteria dall'impianto elettrico del veicolo per proteggerla da ulteriori scariche profonde e danni alle celle. Tuttavia, lo spegnimento delle utenze non può sempre arrestare la spirale della morte. Per ogni ora in cui la tensione si trova nell'intervallo inferiore, la capacità e la tensione si riducono a un ritmo crescente. Alla fine, la tensione scende così tanto che il BMS non può più essere alimentato. A questo punto, le batterie al litio sono già in pericolo, poiché il BMS potrebbe non essere più in grado di riattivarsi anche se viene applicata una tensione esterna. Ciò significa che la ricarica dall'esterno non è più possibile e la batteria è solitamente un caso da sottoporre all'assistenza del produttore.

Pericolo acuto in caso di forte gelo

A temperature ben al di sotto dello zero, gli armatori devono tenere sotto controllo le loro batterie. La combinazione tra la ridotta capacità al freddo, l'aumento del consumo del BMS e il fatto che molte imbarcazioni non sono state ricaricate da ottobre è fondamentale. Una batteria che a novembre era ancora al 75% potrebbe essere già scesa sotto il 40% e quindi in una fascia in cui la tensione crolla rapidamente. Se ne avete la possibilità, controllate lo stato di carica il prima possibile. Se la tensione delle celle supera di poco i dieci volt, è necessario ricaricarle. In caso di dubbio, le batterie devono essere rimosse e portate in un luogo caldo, poiché la temperatura delle celle deve essere superiore a zero gradi.

Tre tattiche per mantenere in vita le batterie al litio

Le istruzioni per ogni batteria dovrebbero contenere informazioni sul corretto stoccaggio a lungo termine. Queste dovrebbero essere seguite, anche in vista di eventuali richieste di garanzia, soprattutto perché esistono sistemi con modalità invernale e sleep dedicate. Purtroppo, la pratica dimostra che non tutti i produttori tengono conto di questo aspetto. In questo caso, si possono utilizzare queste tre tattiche per prevenire la scarica profonda delle batterie:

1. ricaricare regolarmente. La maggior parte dei produttori consiglia di svernare le batterie con un livello di carica compreso tra il 60 e l'80% e di ricaricarle al massimo dopo tre mesi. Per sincronizzare lo stato di carica effettivo con il display del BMS o con un monitor esterno della batteria, le batterie devono essere caricate completamente e poi scaricate fino alla capacità di stoccaggio desiderata. Per garantire che la scarica non duri troppo a lungo, di solito sono necessarie grandi utenze, come un potente inverter. Potenziale problema: le batterie al litio non dovrebbero essere caricate a temperature inferiori allo zero. È quindi importante tenere sotto controllo i periodi di gelo più lunghi, soprattutto perché le celle della batteria possono impiegare molto tempo per scongelarsi di nuovo. Occorre prestare attenzione anche alle batterie con riscaldamento interno. Se il caricabatterie esistente ha una potenza inferiore a quella richiesta dagli elementi riscaldanti durante il funzionamento, la batteria continuerà a scaricarsi.

2. lasciare acceso il caricabatterie. Se è disponibile l'alimentazione da terra, l'autoconsumo può essere tamponato con un caricabatterie. È importante ridurre la tensione di fine carica. Invece dei soliti 14,2-14,6 volt per le batterie al litio, si dovrebbero impostare 13-13,2 volt. Ciò significa che la batteria non viene caricata al 100% e invecchia meno. Non dimenticate di reimpostare la tensione di fine carica all'inizio della stagione, altrimenti non sarà disponibile l'intera capacità. Poiché il caricabatterie viene utilizzato solo per tamponare l'autoconsumo, nelle celle non passa praticamente corrente, il che significa che i periodi di gelo sono meno problematici.

3. portare a casa le batterie. Questo protegge dalle correnti di dispersione e dalle utenze non rilevate, ma bisogna comunque tenere d'occhio l'autoscarica e l'autoconsumo del BMS. Con l'immagazzinamento al riparo dal gelo, si può almeno ricaricare indipendentemente dalle condizioni atmosferiche.

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