Qual è la chimica ottimale per il veicolo? Diversi tipi di batterie

Qual è la chimica più adatta per elettrificare il vostro veicolo? Scopriamo i diversi tipi di batterie

Sintesi della voce::

Spesso ci si chiede quale sia la chimica migliore per l'elettrificazione dei veicoli. Ne esistono diversi tipi e occorre valutarne i vantaggi e gli svantaggi per prendere una decisione consapevole.

Spesso ci si chiede quale sia la chimica migliore per l'elettrificazione dei veicoli. Esistono diversi tipi di celle o batterie e vale la pena considerarne i vantaggi e gli svantaggi per prendere una decisione consapevole.

In primo luogo, ci sono le batterie al piombo-acido. Sono economiche, ma non molto durevoli e non offrono prestazioni elevate. Inoltre, sono piuttosto pesanti. Un'altra opzione sono le batterie al nichel-metallo idruro, più efficienti di quelle al piombo e meno pesanti. Tuttavia, sono un po' più costose.

Infine, tra i tipi di batterie, abbiamo le batterie agli ioni di litio, che sono le più avanzate e popolari oggi. Sono leggere, resistenti e offrono una grande quantità di energia. Sebbene richiedano una spesa elevata, offrono un eccellente ritorno sull'investimento e sono più rispettose dell'ambiente.

Oggi le batterie al litio sono molto diffuse in un'ampia gamma di applicazioni. Inizialmente erano utilizzate soprattutto nei telefoni cellulari, nei computer e nei piccoli utensili. Oggi, tuttavia, sempre più produttori di macchinari industriali e di veicoli elettrici adottano questa tecnologia per la transizione elettrica delle loro flotte. Le batterie al litio sono utilizzate in diversi settori, come la logistica, la movimentazione dei materiali, l'edilizia, le piattaforme aeree, l'agricoltura, i veicoli aeroportuali e la nautica.

La scelta della giusta batteria al litio per un veicolo è diventata più complessa che mai, ma è ancora più importante a causa delle ultime normative del Parlamento Europeo che hanno approvato il divieto di vendita di veicoli a benzina e diesel a partire dal 2035.

Tuttavia, non tutte le batterie al litio sono uguali. Ci sono molti fattori da considerare per trovare la batteria giusta per un'applicazione specifica. Sul mercato sono disponibili diversi tipi di batterie al litio. Inoltre, oltre alla tensione, ci sono le dimensioni di una batteria al litio e un processo complesso che comprende ricerca e sviluppo, test tecnici e, soprattutto, la scelta della chimica giusta per soddisfare le esigenze del veicolo.

I sei prodotti chimici a base di litio più utilizzati e le loro caratteristiche

Le sei chimiche a base di litio più comunemente utilizzate sono:

  • Ossido di litio-cobalto (LiCoO2)
  • Ossido di litio-manganese (LiMn2O4)
  • Litio-ferro-fosfato (LiFePO4)
  • Nichel-Manganese-Cobalto (LiNixMnyCozO2)
  • Nichel-Cobalto-Alluminio (LiNiCoAlO2)
  • Titanato di litio (Li4Ti5O12)

Vediamo ora nel dettaglio quali sono i vantaggi e gli svantaggi di ciascuno di essi.

1. Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LCO: Litio - Cobalto - Ossido (LiCoO 2 )

Le batterie al litio con chimica LCO (Lithium Cobalt Oxide) sono costituite da un catodo di ossido di cobalto e da un anodo di grafite. La chimica del catodo è LiCoO2 e l'elettrolita utilizzato è una soluzione di sali di litio in un solvente organico. 

Le batterie prodotte con questa chimica LCO hanno un'elevata densità di energia e una lunga durata, che le rende adatte all'uso in dispositivi portatili come telefoni cellulari e computer portatili. Tuttavia, hanno la tendenza a surriscaldarsi e possono essere instabili se caricate in modo improprio o se sottoposte a temperature elevate, il che può portare a perdite di elettrolito e all'esplosione della batteria. 

Inoltre, il cobalto è un materiale costoso e scarso, che rende le batterie al litio con chimica LCO più costose di altre opzioni.

  • Tensione nominale: 3,6 V.
  • Densità gravimetrica: 200 Wh/Kg
  • Densità di energia: 400 Wh/l
  • Cicli di vita completi: 500 - 1000
  • Velocità di scarica: 1C

2. Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LMO: Litio - Manganese - Ossido (LiMn 2 O 4 )

Le batterie al litio con chimica LMO (Lithium Manganese Oxide) hanno un catodo di ossido di manganese e un anodo di grafite. La chimica del catodo è LiMn2O4 e l'elettrolita utilizzato è una soluzione di sali di litio in un solvente organico. La caratteristica principale delle batterie LMO è la capacità di fornire molta energia in poco tempo.

Queste batterie hanno un'elevata capacità di scarica, una lunga durata e sono meno inclini al surriscaldamento rispetto alle batterie al litio con chimica LCO. Inoltre, il manganese è un materiale meno costoso e più abbondante del cobalto, che rende le batterie al litio con chimica LMO più economiche ed ecologiche. 

Tuttavia, queste batterie hanno una densità energetica inferiore rispetto alle batterie al litio con chimica LCO e possono subire un degrado a lungo termine del catodo se caricate e scaricate ad alte correnti o temperature.

Sono spesso utilizzati per le biciclette elettriche, nel mondo del giardinaggio, nelle apparecchiature mediche e negli utensili elettrici come trapani e avvitatori.

Le batterie LMO hanno una stabilità termica superiore rispetto alle batterie chimiche LCO, ma hanno una capacità limitata, inferiore ai sistemi a base di cobalto.

  • Tensione nominale: 3,7 V.
  • Energia specifica: 150 Wh/Kg
  • Densità di energia: 350 Wh/l
  • Cicli di vita completi: 300 - 700
  • Velocità di scarica: 1C, 10C

3. Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LFP: Litio - Ferro - Fosfato (LiFePO4)

Le batterie al litio con chimica LFP (Litio Ferro Fosfato) hanno un catodo composto da litio ferro fosfato, un anodo di grafite e un elettrolita a base di sali di litio. 

Queste batterie sono note per la loro elevata sicurezza, in quanto non contengono materiali infiammabili come il cobalto utilizzato nelle batterie al litio con chimica LCO. Inoltre, le batterie al litio con chimica LFP sono più resistenti alle alte temperature e al sovraccarico rispetto alle altre chimiche di batterie al litio.

Questa chimica è comunemente utilizzata in applicazioni che richiedono elevata affidabilità e sicurezza. Si tratta quindi di un mondo molto ampio, che va dall'automazione alla robotica, alla logistica, all'edilizia, all'agricoltura, alla nautica, ai veicoli elettrici, ai veicoli aeroportuali, alle piattaforme aeree e ai veicoli speciali.

Le batterie con chimica LFP sono, di fatto, il più sicuro e stabile attualmente sul mercato. Inoltre, sono disponibili presso formati di grande capacitàIl sistema è progettato per soddisfare i requisiti dei sistemi industriali, senza la necessità di collegare molte piccole celle in parallelo, che ridurrebbero la stabilità e comprometterebbero la sicurezza.

Le batterie con chimica LFP hanno una durata maggiore e possono superare i 3.500 cicli. Inoltre, possono superare i 4.000 cicli se si integra un sistema BMS adeguato per monitorarle. Si stima che in futuro potrebbero addirittura raggiungere i 6.000 cicli.

Tuttavia, è importante notare che i cicli di vita non indicano la fine completa della batteria, poiché la vita utile di una batteria per veicoli è considerata esaurita quando rimane solo 80% della sua capacità originale. Nonostante ciò, la batteria può essere ancora utile per altre applicazioni, come l'accumulo di energia.

Un altro importante vantaggio delle batterie LFP è la loro curva di scarica piatta, il che significa che la tensione della batteria rimane costante durante la scarica. Pertanto, si può notare che la tensione da 100% a 0% è molto simile e questo è un fatto fondamentale.

Questa caratteristica consente a macchine e veicoli industriali di funzionare in modo costante e uniforme dall'inizio alla fine della scarica. Oltre alla loro durata e stabilità, le batterie LFP sono note per essere molto sicure, il che le rende adatte all'uso nei veicoli e in altre applicazioni industriali.

  • Tensione nominale: 3,2 V.
  • Densità gravimetrica: 170 Wh/Kg
  • Densità di energia: 350 Wh/l
  • Cicli di vita completi: > 4000
  • Velocità di scarica: 1C/3C

La curva piatta della chimica LFP, che consente prestazioni costanti durante la scarica della batteria, può rendere difficile determinare con precisione lo stato di carica. Tuttavia, con un buon sistema BMS, questo problema può essere superato per fornire un corretto stato di carica e bilanciare efficacemente la batteria. 

Inoltre, uno dei principali vantaggi della chimica LFP è la totale assenza di cobalto, un materiale tossico e dannoso per l'ambiente. Inoltre, se in passato la densità energetica della chimica LFP era bassa, ora è aumentata in modo significativo, generando un grande interesse per l'elettrificazione dei veicoli. Infatti, già nei prossimi anni si prevede un ulteriore aumento della densità gravimetrica fino a 220/230 Wh/Kg.

Tesla e altre case automobilistiche stanno reintroducendo la chimica LFP per il suo elevato livello di sicurezza e il costo inferiore rispetto ad altre chimiche utilizzate nei veicoli ad alte prestazioni. 

Si prevede che la densità energetica continuerà ad aumentare nel prossimo futuro, rendendo la chimica LFP un'opzione sempre più interessante per l'accumulo di energia e l'elettrificazione dei veicoli.

4. Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica NMC: Nichel - Manganese - Cobalto (LiNixMnyCozO2)

Le batterie al litio con chimica NMC (Nickel-Manganese-Cobalto) sono composte da tre elementi principali: nichel, manganese e cobalto, utilizzati in proporzioni diverse a seconda del tipo di cella. 

Nel settore automobilistico, le batterie al litio con chimica NMC sono ancora le più comuni e ampiamente utilizzate. Queste batterie offrono un'energia specifica molto elevata, che può raggiungere i 220-240 Wh/kg. Si tratta di un grande vantaggio competitivo per i veicoli, in quanto consente di immagazzinare molta energia con un peso e un volume ridotti, il che significa che è possibile installare più energia nel veicolo rispetto ad altre tecnologie di batterie al litio. 

Esistono diversi tipi di chimica NMC:

Il numero che segue la sigla NMC indica la proporzione di questi elementi utilizzata per il catodo. Ad esempio, le celle NMC 811 hanno un'alta concentrazione di nichel e un basso contenuto di manganese e cobalto, mentre le celle NMC 111 hanno una proporzione uguale di ciascun elemento.

  • NMC 111 (Nichel 33,3% - Manganese 33,3% - Cobalto 33,3%)
  • NMC 622 (Nichel 60% - Manganese 20% - Cobalto 20%)
  • NMC 811 (Nichel 80% - Manganese 10% - Cobalto 10%)
  • Tensione nominale: 3,6 V.
  • Densità gravimetrica: 220 Wh/Kg
  • Densità di energia: 500 Wh/l
  • Cicli di vita completi: 2.000
  • Velocità di scarica: 2C/3C

La sigla NMC è accompagnata da tre numeri che indicano la quantità di elementi utilizzati per il catodo. L'ultima versione, NMC 811, ha un elevato contenuto di nichel e un basso contenuto di manganese e cobalto, che si traduce in una maggiore densità energetica a un costo inferiore. Sebbene l'obiettivo sia ridurre al minimo il cobalto nella tecnologia NMC, questo elemento è ancora essenziale per la stabilità del sistema e la durata della batteria. 

Tuttavia, ci sono aziende che ricercano nuove tecnologie innovative, come Svolt, che ha già sviluppato la prima cella NMX completamente priva di cobalto.

5. Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con AQL: Nichel - Cobalto - Alluminio (LiNiCoAIO2)

Le batterie al litio con chimica NCA utilizzano come catodo una miscela di nichel, cobalto e alluminio, rappresentata dalla formula chimica LiNiCoAIO2. Questa miscela garantisce un'elevata densità energetica e una lunga durata della batteria. Il nichel fornisce stabilità strutturale, mentre il cobalto e l'alluminio aumentano la densità energetica.

Oltre alle NMC, le batterie con chimica NCA sono utilizzate anche nelle industria automobilistica

Le batterie al litio con chimica NCA hanno un'elevata densità energetica che può raggiungere i 250-300 Wh/kg, anche se hanno un livello di sicurezza leggermente inferiore rispetto alle batterie NMC. 

Sono composte principalmente da nichel, con un basso contenuto di cobalto e alluminio, il che le rende simili nella struttura alle celle NMC 811. Per bilanciare la densità energetica con la sicurezza e la stabilità, le batterie NCA sono spesso miscelate con sostanze chimiche NMC.

Mescolando le due sostanze chimiche, è possibile ottenere una batteria con una densità di energia ragionevolmente elevata e un livello adeguato di sicurezza e stabilità.

  • Tensione nominale 3,6 V
  • Densità gravimetrica: 250 Wh/Kg
  • Densità di energia: 550 Wh/l
  • Cicli di vita completi: 1.000
  • Velocità di scarica: 2C/3C

6. Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica LTO: Titanato di litio (Li4Ti5O12)

Si tratta di una tecnologia di batteria non molto conosciuta, ma che sembra avere un grande potenziale in termini di durata, grazie al suo basso degrado dovuto alle basse tensioni interne e all'assenza di stress meccanico. Questo la rende ideale per l'uso in macchine e veicoli pesanti. 

Tuttavia, presenta due principali punti deboli: 

  • Bassa densità energetica (177Wh/l) e livelli gravimetrici (60-70 Wh/kg), oltre a una tensione nominale inferiore, pari a 2,4V o 2,8V: ciò significa che sono necessari più elementi in serie per ottenere la tensione desiderata della batteria.
  • Il loro costo è attualmente molto elevato, il che si riflette nel basso numero di produttori di celle LTO in tutto il mondo, probabilmente a causa dei bassi volumi attualmente richiesti dal mercato.

Tuttavia, si tratta di un tipo di chimica per l'elettrificazione dei veicoli che presenta alcuni vantaggi. Oltre alla sua lunga durata, la tecnologia LTO ha anche un'elevata capacità di funzionare in un ampio intervallo di temperature. Inoltre, può essere caricata e scaricata rapidamente con una corrente elevata rispetto alla sua capacità nominale (C-Rate elevato). 

Questa tecnologia è particolarmente adatta alle applicazioni che richiedono un uso intensivo e continuo, come le macchine AGV (veicoli a guida automatica). Ad esempio, una flotta di carrelli elevatori autonomi che operano 24 ore su 24, 7 giorni su 7, trarrebbe vantaggio dall'uso di batterie LTO, che possono essere ricaricate rapidamente per ridurre i tempi di fermo e aumentare l'efficienza dell'impianto.

  • Tensione nominale 2,4 V
  • Densità gravimetrica: 70 Wh/Kg
  • Densità di energia: 177 Wh/l
  • Cicli di vita completi: 15.000 - 20.000
  • Velocità di scarica: 4C/8C

Dalla teoria alla pratica: utilizzare la giusta chimica del litio per la giusta applicazione

Ognuno dei 6 principali tipi di chimica a base di litio attualmente utilizzati per l'elettrificazione sono utili e performanti, ma non dobbiamo pensare che siano in competizione tra loro. Al contrario, ogni chimica al litio ha i suoi vantaggi e dà il meglio di sé in diverse aree di applicazione.

Tabella delle differenze chimiche del litio

Questo diagramma è molto illustrativo per vedere le differenze tra i vari tipi di chimica delle batterie. 

  • L'energia specifica o densità gravimetrica misura la quantità di energia che la batteria può immagazzinare in relazione al suo peso.
  • La sicurezza si riferisce alla sicurezza della batteria in termini di stabilità termica dei suoi componenti.
  • Il tasso C indica la capacità della batteria di caricare e scaricare energia, che è correlata alla sua capacità di generare energia.
  • Il ciclo di vita si riferisce al numero di volte in cui la batteria può essere scaricata e ricaricata prima che la sua capacità si riduca a 80% della capacità residua.
  • Il costo si riferisce al prezzo della batteria ed è un fattore importante da considerare nella scelta della batteria giusta per una determinata applicazione.

Come scegliere il giusto tipo di chimica al litio?

A questo punto, cerchiamo di spiegare in dettaglio perché scegliere un prodotto o un altro a seconda dei casi e delle applicazioni.

Batterie NMC e NCA per l'industria automobilistica

Le batterie NMC e NCA sono ampiamente utilizzate nel settore automobilistico grazie alla loro elevata densità energetica, che consente di fornire una grande quantità di energia in uno spazio ridotto. 

Nella mobilità elettrica, la densità energetica, la densità gravimetrica e la potenza specifica sono elementi chiave, mentre la velocità di ricarica e le elevate potenze di accelerazione sono considerate punti focali, soprattutto nei modelli premium. 

In questo settore, altre caratteristiche come i lunghi cicli di vita non sono essenziali, perché non sono necessari. Nel caso di un'automobile, non è probabile che faccia molti cicli in un solo giorno, e in genere solo 20-30% del carico vengono utilizzati in un giorno. 

Pertanto, i cicli di vita della batteria con la chimica NMC non superano i 2000, mentre con la chimica NCA i cicli di vita arrivano a 1000.

Batterie LFP e LTO per il settore industriale

In diversi settori, come l'agricoltura, l'industria e l'elettrificazione di veicoli speciali, è più appropriato utilizzare batterie con chimiche come LFP e LTO invece di NMC e NCA. In questi settori, infatti, sicurezza, affidabilità e durata sono più importanti della densità energetica e delle prestazioni.

Nell'industria, ad esempio, lo spazio non è un problema e la sicurezza è una priorità, soprattutto nelle applicazioni altamente cicliche che stressano la batteria. 

In questi casi, è preferibile avere una batteria che occupi un po' più di spazio, ma che garantisca una sicurezza ottimale e una durata maggiore. Inoltre, nelle applicazioni stazionarie, la densità energetica non è importante quanto il costo e i cicli di vita della batteria. 

Batterie LCO e LMO per piccole applicazioni mobili

Se avete bisogno di una batteria per strumenti e applicazioni mobili di dimensioni molto ridotte, la cosa più importante è che sia leggera, in modo da non compromettere le prestazioni complessive dell'applicazione a causa del peso eccessivo. In questo caso, le batterie chimiche come LCO e LMO sono ideali perché offrono un'elevata densità di potenza in un pacchetto piccolo e leggero. 

Sebbene questi prodotti chimici abbiano una durata di conservazione più breve e possano essere più rischiosi in termini di sicurezza a causa delle loro dimensioni ridotte, ciò viene accettato per garantire la competitività del prodotto sul mercato.

BMS ottimizza le caratteristiche della chimica scelta

Tutte queste informazioni dimostrano che i diagrammi possono essere utili per comprendere le caratteristiche generali di ogni chimica di batteria, ma bisogna ricordare che i dati sono indicativi e che la tecnologia e l'innovazione sono in continua evoluzione. 

Pertanto, è importante tenersi aggiornati e affidarsi a produttori esperti per progettare batterie che soddisfino le esigenze specifiche dell'applicazione.

Inoltre, la chimica non è l'unico fattore che influisce sulle prestazioni della batteria. Anche il sistema di gestione della batteria (BMS) è importante, in quanto è in grado di sfruttare al meglio le caratteristiche della chimica scelta e di garantire prestazioni costanti nel tempo. 

Un BMS, o Battery Management System, è un insieme di dispositivi elettronici e software che gestisce e monitora il funzionamento di una batteria ricaricabile. Il BMS controlla e monitora vari parametri della batteria, come la temperatura, la tensione e la corrente, e protegge la batteria da sovraccarico, sovrascarico, surriscaldamento, cortocircuiti e altri eventi che potrebbero danneggiare la batteria o ridurne la durata. 

Questi sistemi possono anche bilanciare il carico delle celle della batteria per garantire che tutte lavorino insieme in modo ottimale. 

Infine, un BMS intelligente può analizzare i dati della batteria e regolarne il comportamento per massimizzare le prestazioni e l'efficienza in base alle esigenze specifiche dell'applicazione.

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