Domande e risposte sull`uso delle batterie agli ioni di litio con

Domande e risposte sull'uso
delle batterie agli ioni di litio
con gli UPS
White paper 231
Revisione 0
Di Patrick Donovan
Martin Zacho
Sintesi
Le batterie agli ioni di litio presentano diversi
vantaggi rispetto alle tradizionali batterie al
piombo-acido. Nonostante tali vantaggi,
l'uso delle batterie agli ioni di litio per gli
UPS è relativamente recente, mentre l'uso
delle batterie al piombo-acido a valvola
rimane tuttora la principale tecnologia di
stoccaggio energetico. Questa situazione,
tuttavia, è destinata a cambiare, dal
momento che i costi della tecnologia agli
ioni di litio continuano a diminuire, i vantaggi
di tale tecnologia sono sempre più noti e i
produttori renderanno compatibili i loro UPS
con l'uso di batterie agli ioni di litio. Questo
white-paper si propone di rispondere a
domande comuni sulle batterie agli ioni di
litio e sul loro impiego con gli UPS.
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Introduzione
Domande
frequenti
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Le batterie agli ioni di litio presentano diversi vantaggi rispetto alle tradizionali batterie al piombo-acido a valvola che oggi si utilizzano per gli UPS. Grazie alla durata
nettamente superiore, alle dimensioni più compatte, al peso inferiore, ai tempi di ricarica ridotti e ai prezzi in calo, le batterie agli ioni di litio rappresentano una tecnologia di stoccaggio energetico particolarmente interessante. Questo white-paper si
propone di rispondere brevemente a domande comuni sulle batterie agli ioni di litio
e sul loro impiego con gli UPS, allo scopo di aiutare a decidere la tecnologia più
adatta ai vari requisiti di alimentazione di riserva.
Cosa sono le batterie agli ioni di litio e quali sono le differenze
rispetto a quelle al piombo-acido?
Semplificando il più possibile, una batteria è un dispositivo elettrochimico che immagazzina energia e la libera sotto forma di elettricità. Le batterie generalmente
sono disposte in gruppi e possono essere collegate in serie e/o in parallelo per ottenere tensioni e correnti adatte alle varie applicazioni. Questa semplice descrizione riguarda sia le batterie al piombo-acido che quelle agli ioni di litio.
Ogni batteria contiene un catodo (positivo) e un anodo (negativo) sospesi in un
elettrolita, il quale funge da catalizzatore per la reazione elettrochimica che produce la carica e la scarica come flusso di ioni da un elettrodo all'altro e impedisce
che gli elettroni accumulatisi sull'anodo tornino al catodo in assenza di carico. La
reazione chimica provoca una differenza di potenziale (cioè la tensione) nella carica tra il catodo e l'anodo con l'accumulo degli elettroni sull'anodo. Collegando un
carico ai terminali della batteria tramite un cavo, si induce un flusso di corrente che
scarica la batteria mano a mano che gli elettroni (cioè la corrente) migrano dall'anodo (terminale negativo) al carico e quindi al catodo (terminale positivo). Quando
avviene questo flusso di ioni, la chimica della batteria cambia fino a quando non è
più possibile fornire elettroni all'anodo, allorché la batteria è scarica. La batteria
può essere ricaricata utilizzando una fonte di alimentazione esterna per invertire il
flusso degli elettroni nell'elettrolita dal catodo all'anodo. La Figura 1 1 contiene un
semplice schema del flusso di elettroni all'interno della batteria e tra la batteria e il
carico.
Figura 1
Schema del flusso degli
elettroni nei componenti di
una batteria, sia a piomboacido che agli ioni di litio
1
http://batterybro.com/blogs/18650-wholesale-battery-reviews/18880255-battery-chemistry-finally-explained (ultimo accesso il 26/02/2016)
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La principale differenza tra una batteria agli ioni di litio e una batteria al piomboacido è la composizione chimica dei materiali impiegati negli elettrodi e nell'elettrolita. Nella maggior parte delle moderne batterie agli ioni di litio viene utilizzato un
ossido metallico per il catodo e un materiale al carbonio per l'anodo, mentre la soluzione elettrolitica è un sale di litio sciolto in un solvente organico. Una batteria al
piombo-acido, invece, contiene un catodo in diossido di piombo, un anodo in
piombo e l'elettrolita costituito da acido solforico.
Il rendimento di una batteria dipende in larga misura da queste caratteristiche chimiche. La Tabella 1 evidenzia alcune differenze di rendimento ad alto livello tra i
due tipi di batterie utilizzate negli UPS. È importante, tuttavia, tenere presente che il
rendimento di due batterie dello stesso tipo può essere molto diverso a seconda
delle caratteristiche chimiche (cioè l'elettrolita e gli elettrodi), del tipo di materiali,
dalla loro qualità e dalla costruzione delle celle. Per tale motivo, se non si sceglie
un determinato tipo di batteria e un'applicazione specifica non è semplice generalizzare o sintetizzare le caratteristiche delle batterie agli ioni di litio. La tabella illustra l'intervallo di rendimento tipico dei tipi di celle delle batterie utilizzate attualmente negli UPS.
Tabella 1
Intervallo di rendimento tipico
delle celle delle
batterie agli ioni
di litio utilizzate
per gli UPS
Caratteristiche di rendimento
Energia specifica (densità energetica)
Durata (di calendario)
Numero di cicli di carica e scarica*
Tempo di ricarica
Ioni di litio
Piombo-acido a valvola (VRLA)
Alta, 70-260 kWh/kg
Bassa, 15-50 kWh/kg
10-15 anni
4-6 anni
>1.000
200-400
0,5-1 ora
6-12 ore
* Il numero effettivo dipende largamente dal tipo di batteria e dall'entità degli scaricamenti. Maggiore è l'entità
dello scaricamento, minore sarà la durata.
Quali sono le differenze di costo dei sistemi di batterie agli ioni
di litio rispetto a quelli al piombo-acido per gli UPS?
Il white-paper 229, Le tecnologie delle batterie per i Data Center: confronto tra
VRLA e ioni di litio contiene un'analisi quantitativa dettagliata dei costi di capitale,
delle spese di esercizio e dei costi totali di possesso per 10 anni per le batterie in
un UPS trifase utilizzato in un Data Center. In linea generale, si può affermare che i
costi per l'installazione di un sistema agli ioni di litio (al 2016) sono 1,5-3 volte superiori rispetto a quelli di un sistema di batterie al piombo-acido a valvola con la
stessa potenza e la stessa autonomia. Il prezzo di acquisto iniziale è stato il motivo
principale della limitazione dell'uso delle batterie agli ioni di litio negli UPS, ma occorre tenere presente che solo pochi anni fa i costi della tecnologia agli ioni di litio
erano 10 volte superiori. Grazie alla riduzione dei costi e ai notevoli vantaggi in termini di rendimento, la tecnologia di stoccaggio energetico tramite ioni di litio sta diventando sempre più conveniente. È probabile che l'aumento della domanda, i progressi tecnologici e l'aumento dell'efficienza delle tecniche produttive contribuiranno a ridurre ulteriormente i costi. Le batterie al piombo-acido, invece, rappresentano una tecnologia meno recente e più matura, con minori probabilità di evoluzioni
significative, per cui sarà difficile ridurre ulteriormente i costi a kWh.
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Dal punto di vista delle spese di esercizio, un sistema agli ioni di litio presenta indubbi vantaggi, soprattutto per quanto riguarda la durata almeno doppia rispetto ai
sistemi al piombo-acido a valvola. In un periodo di 15 anni è probabile che le batterie al piombo-acido a valvola debbano essere sostituite 2-3 volte, mentre quelle agli
ioni di litio non debbano essere sostituite o debbano essere sostituite una sola
volta, per cui questa tecnologia consente di risparmiare e ridurre la manutenzione.
La durata delle batterie agli ioni di litio a volte viene specificata con una temperatura più alta (40 °C) rispetto a quella delle batterie al piombo-acido (20-25 °C); in tal
caso, queste batterie sono in grado di tollerare una temperatura ambiente superiore
senza che la loro durata si riduca 2. Questo vantaggio può incrementare ulteriormente il risparmio dei costi di esercizio riducendo i requisiti energetici del raffreddamento. Dal momento che i sistemi di batterie agli ioni di litio sono dal 50 all'80%
più compatti, lo spazio risparmiato può essere impiegato in maniera più produttiva,
per cui i costi totali di possesso dei sistemi agli ioni di litio potrebbero ridursi ulteriormente. Dalla nostra analisi è emerso che i costi totali di possesso (al 2016) dei
sistemi di UPS agli ioni di litio generalmente sono dal 10 al 40% inferiori rispetto a
quelli dei sistemi al piombo acido a valvola in un periodo di 10 anni.
Le batterie agli ioni di litio sono rischiose per la sicurezza?
Per definizione, tutti i tipi di batterie accumulano energia termica, per cui se vengono gestite in maniera inadeguata (ad es. se vengono gettate nel fuoco) o sovraccaricate potrebbero rilasciare materiali pericolosi o innescare incendi. Le batterie
agli ioni di litio sono ritenute più volatili, a causa delle segnalazioni di alcuni casi di
incendio e del connubio tra la maggiore energia specifica e la maggiore sensibilità
alla sovraccarica. Se una batteria agli ioni di litio viene gestita in maniera inadeguata, può raggiungere più facilmente una condizione di instabilità termica, in
quanto la resistenza delle celle è inferiore e la capacità di immagazzinare energia è
superiore a quella di una batteria al piombo-acido.
Nel corso degli anni, però, sono stati compiuti notevoli progressi per aumentare il
livello di sicurezza fino a livelli confrontabili con quelli dl altri tipi di batterie di uso
comune. Grazie ai progressi della chimica e del confezionamento delle celle, queste sono più stabili; i processi produttivi sono maturi e i materiali impiegati sono più
resistenti; gli schemi di gestione delle batterie, inoltre, sono stati ampiamente sperimentati e collaudati sul campo per evitare che le batterie agli ioni di litio si sovraccarichino o si surriscaldino. L'uso prolifico delle batterie agli ioni di litio in centinaia
di milioni di apparecchi elettronici portatili, smartphone e veicoli elettrici testimonia
il loro livello di sicurezza.
Dal momento che i sistemi di batterie agli ioni di litio sono molto più sensibili alle
modalità con cui vengono caricati e scaricati, includono tutti un sistema BMS (Battery Management System) per la gestione delle batterie, costituito da microprocessori, sensori, interruttori e relativi circuiti, che monitora costantemente la temperatura della batteria a livello di cella, il grado e la percentuale di carica, per impedire
corto circuiti e sovraccarica. Il sistema BMS, inoltre, protegge le celle dai danni evitando che la tensione si abbassi troppo con la scarica e fornisce all'UPS e all'utente
informazioni precise sullo stato, sull'integrità e sull'autonomia residua delle batterie.
Anche se il sistema BMS incrementa il livello di sicurezza dei sistemi di batterie agli
2
Occorre tenere presente che gli schemi di protezione interni progettati per evitare condizioni di instabilità termica potrebbero ridurre l'autonomia con l'aumento della temperatura ambiente.
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ioni di litio, implica un costo che si aggiunge al costo alla soluzione e implica l'assorbimento di energia dalle batterie, azzerando o riducendo notevolmente i benefici
in termini di efficienza rispetto alle batterie al piombo-acido.
Riguardo alla pericolosità dei materiali delle batterie agli ioni di litio, il governo statunitense non li considera pericolosi, per cui possono essere smaltiti in sicurezza
nelle discariche, in quanto non contengono mercurio, piombo, cadmio o altri materiali ritenuti pericolosi, ma ciò non vuol dire, ovviamente, che se non vengono riciclate non danneggiano l'ambiente. Per ulteriori informazioni, si rimanda dalle domande frequenti "Le batterie agli ioni di litio sono più ecologiche di quelle al
piombo-acido?" e "Sono riciclabili?".
Quali sono i vari tipi di batterie agli ioni di litio e qual è l'importanza di tali differenze?
Tutte le moderne batterie agli ioni di litio utilizzano una soluzione non metallica contenente ioni di litio come elettrolita. Questa soluzione è conduttrice di elettroni e genera un flusso di corrente tra i due elettrodi, il catodo (+) e l'anodo (–); il catodo è
un ossido metallico, l'anodo è costituito da un materiale poroso al carbonio. Le caratteristiche di rendimento cambiano in base ai vari materiali utilizzati o alle modifiche chimiche, per cui i produttori cambiano i materiali e/o utilizzano additivi per migliorare il rendimento delle celle. Alcune batterie, ad esempio, sono progettate per
ottimizzare la capacità energetica e garantire un'autonomia prolungata (ore); queste batterie spesso vengono dette "celle energetiche". Le "celle di potenza", invece,
sono realizzate in modo da garantire un'elevata densità di potenza (cioè la potenza
specifica), ma sono caratterizzate da una capacità energetica inferiore e possono
fornire al carico tutta la potenza disponibile in breve tempo. Dal momento che i sistemi di UPS tendono ad essere configurati in modo che esauriscono le batterie in
breve tempo (minuti), si utilizzano le celle di potenza. Tutto ciò indica che le batterie sono progettate per l'uso a cui sono destinate. Per estendere i limiti della moderna tecnologia delle batterie agli ioni di litio, vengono formulate e sperimentate
soluzioni chimiche sempre nuove.
Un metodo comune per distinguere i vari tipi di batterie agli ioni di litio si basa sul
principale materiale chimico attivo che caratterizza in maniera intrinseca ed esclusiva la batteria rispetto alle altre batterie agli ioni di litio. Di seguito sono indicati i
sei tipi più comuni 3 secondo la Battery University:
• Ossido litio cobalto (LiCoO 2)
• Ossido litio manganese (LiMn 2O 4 o "LMO")
• Ossido litio nichel manganese cobalto (LiNiMnCoO 2 o "NMC")
• Litio ferro fosfato (LiFePO 4)
• Ossido litio nichel cobalto alluminio (LiNiCoAIO 2)
• Titanato di litio (Li 4 Ti 5O 12)
La Tabella 2 illustra le differenze tra le principali caratteristiche dei vari tipi di chimica.
3
http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion (ultimo accesso il 26/02/2016)
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Tabella 2
Differenze tra le principali caratteristiche dei
vari tipi di chimica
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La differenza tra una batteria è l'altra non riguarda solo la chimica, ma il rendimento
dipende anche dal tipo di confezionamento delle singole celle delle batterie, ad
esempio fusti e buste prismatiche o fusti cilindrici (v. Figura 2).
Energia
specifica
Potenza
specifica
Sicurezza*
Rendimento
Durata
Costo
massima
moderata
moderata
alta
moderata
moderata
alta
alta
alta
moderata
moderata
moderata
LiNiMnCoO2 (NMC)
massima
alta
alta
alta
alta
moderata
LiFePO4 (LFP)
moderata
massima
massima
alta
massima
moderata
LiNiCoAIO2 (NCA)
massima
alta
moderata
alta
alta
alta
Li4Ti5O12 (LTO)
moderata
alta
massima
massima
massima
massima
Tipo di chimica
LiCoO2 (LCO)
LiMn2O4 (LMO)
* La sicurezza si riferisce al grado di resistenza naturale delle sostanze chimiche a produrre una situazione di instabilità termica incontrollata.
Tenere presente che la scelta dei materiali, gli involucri delle celle, la qualità produttiva e il sistema di gestione delle batterie servono a
scongiurare l'eventualità di una tale situazione nonostante la propensione chimica alle condizioni di instabilità termica.
La modalità con cui vengono confezionate le batterie, il tipo e la qualità dei materiali
costruttivi influiscono sul peso, sulla densità energetica, sulla capacità di condurre
calore, sulla resistenza (sicurezza) e sul prezzo delle batterie.
Figura 2
Tre metodi comuni di confezionamento di una cella
agli ioni di litio (da sinistra
a destra): busta prismatica, fusto prismatico e fusto cilindrico
È errato pensare che una batteria agli ioni di litio è identica a un'altra, anche se la
composizione chimica è la stessa. I produttori di UPS devono scegliere con cura il
progetto e il livello di qualità dei materiali delle celle in base all'uso a cui sono destinate, rendendo disponibili al pubblico le specifiche delle caratteristiche e del rendimento delle loro batterie.
Posso utilizzare batterie agli ioni di litio con il mio UPS?
Solo se il produttore dell'UPS conferma la compatibilità della batteria agli ioni di litio
specifica. Come spiegato in precedenza, la chimica, le dimensioni, gli intervalli di
tensione, i fattori di forma e i tipi di connettori delle batterie al litio sono molto variabili, per cui è necessario tenere conto di tali differenze per l'implementazione del
progetto dell'inverter dell'UPS, del caricatore, delle caratteristiche meccaniche e
del firmware. Detto ciò, assumendo che la tensione del sistema di batterie rientri
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nell'intervallo di capacità dell'UPS, è possibile rendere compatibile l'UPS tramite un
aggiornamento del firmware per accertarsi che vengano implementate le procedure
di caricamento corrette, vengano effettuati i calcoli corretti dell'autonomia e che lo
stato della carica venga indicato accuratamente. Per determinare la compatibilità e
la sicurezza delle batterie, rivolgersi sempre al produttore.
Qual è la differenza di peso e dimensioni rispetto alle batterie al
piombo-acido?
In generale, un sistema di batterie agli ioni di litio per UPS consente di risparmiare
dal 50 all'80% di spazio sul pavimento; anche il peso è dal 60 all'80% inferiore rispetto a quello di un sistema al piombo-acido simile. Queste caratteristiche sono
dovute all'energia specifica (densità energetica) molto elevata, tipica delle batterie
agli ioni di litio. L'intervallo energetico specifica per le moderne batterie al litio è
compreso tra 70 kWh/kg a 260 kWh/kg, ma comunemente è compreso tra 120 e
200 kWh/kg. A titolo di confronto, l'intervallo di una tipica batteria al piombo-acido è
compreso tra 30 e 50 kWh/kg.
Qual è il ciclo di vita delle batterie agli ioni di litio?
Per ciclo di vita si intende il numero di volte per cui una batteria può essere scaricata e ricaricata completamente in un intervallo di temperatura specifico prima che
debba essere sostituita. Quando la capacità di una batteria totalmente carica raggiunge il 60-80%, la batteria diventa inutilizzabile e dovrebbe essere sostituita. Per
una tradizionale batteria al piombo-acido sigillata, il ciclo di vita è compreso tra 200
e 400 cicli, mentre una tipica batteria agli ioni di litio per UPS può superare i 1000
cicli; il numero dipende da vari fattori, tra cui le caratteristiche chimiche di progetto.
Alcune moderne batterie agli ioni di litio possono superare anche i 5.000 cicli.
Che tipo di manutenzione occorre?
I requisiti di manutenzione delle batterie agli ioni di litio sono estremamente limitati.
Non occorre misurare il livello di fluido e non occorrono rabocchi (come per le batterie al piombo-acido a valvola). Queste batterie, inoltre, non presentano l'effetto
memoria, per cui non è necessario effettuare un ciclo di carica e scarica periodico
per calibrarne l'autonomia, e la loro durata superiore a 10 anni riduce la necessità
di sostituirle nel periodo di utilizzo dell'UPS, nel senso che quando è tempo di sostituirle, è probabile che sia tempo di sostituire anche l'UPS. Il sistema BMS per la gestione delle batterie incluso acquisisce e segnala automaticamente tutti i dati necessari per indicare con precisione lo stato di integrità della batteria e ridurre ulteriormente i requisiti di manutenzione.
Le batterie agli ioni di litio per gli UPS devono essere raffreddate?
Sia le batterie al piombo-acido che quelle agli ioni di litio durano di meno con l'aumento della temperatura, ma l'aumento della temperatura influisce in maniera minore sulla durata delle batterie agli ioni di litio rispetto a quella delle batterie al
piombo-acido. Molte batterie agli ioni di litio utilizzate negli UPS sono progettate per
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sopportare temperature medie superiori (ad es. 40 °C) e sono in grado di raggiungere il fine vita previsto con queste temperature.
Per entrambi i tipi di batterie, la capacità espressa in Ah (amperora) in realtà aumenta con l'incremento della temperatura ambiente; l'aumento della temperatura,
tuttavia, potrebbe limitare l'autonomia disponibile della batteria anche rispetto all'intervallo accettabile specificato dal produttore. Questa situazione, però, è rara e dipende da vari fattori, tra cui la velocità di scaricamento, la capacità progettuale di
gestire il calore e naturalmente la temperatura. Quando la velocità di scaricamento
è notevole, in particolare, la batteria potrebbe raggiungere il limite termico e arrestarsi prima che venga utilizzata effettivamente tutta la capacità disponibile. Anche
se nella maggior parte delle applicazioni per UPS le batterie agli ioni di litio non richiedono un raffreddamento supplementare per raggiungere il fine vita previsto, la
riduzione della temperatura delle batterie (ad es. a 25 °C) ne può ottimizzare l'autonomia.
Come devono essere conservate?
Lo stoccaggio in un luogo fresco rallenta il processo di invecchiamento degli ioni di
litio (e altre sostanze chimiche). I produttori consigliano temperature di stoccaggio
di 15 °C. Prima dello stoccaggio, inoltre, la batteria dovrebbe essere caricata parzialmente; molti produttori consigliano una carica dal 20 al 40%. (Fonte: Samsung
SDI & Battery University)
Possono essere sostituite a caldo?
No, le batterie agli ioni di litio per natura non sono sostituibili a caldo, a causa
dell'elevata sensibilità alla carica eccessivamente alta o bassa (bassa impedenza).
Le batterie agli ioni di litio sono più ecologiche di quelle al
piombo-acido?
In materia di ecocompatibilità, è complesso stabilire se un prodotto è più o meno
ecologico rispetto a un altro. Le batterie agli ioni di litio non contengono materiali
pericolosi come quelle agli ioni di litio (cioè il piombo); entrambi i tipi di batterie
sono riciclabili, ma attualmente nella maggior parte dei paesi del mondo è molto più
semplice riciclare le batterie al piombo-acido rispetto alle batterie agli ioni di litio di
formato superiore utilizzate per i veicoli elettrici e gli UPS. Per un quadro completo
sull'impatto ambientale, occorre considerare la c.d. "impronta di carbonio" imputabile a una batteria durante tutto il suo ciclo di vita, dal momento che l'impatto del
carbonio è cumulativo quando si considerano i seguenti fattori:
• Estrazione delle materie prime
• Energia per la produzione e il trasporto
• Energia di gestione per il caricamento e il raffreddamento delle batterie
• Riciclabilità e impatto sul pianeta in fase di smaltimento
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Un'analisi precedente 4 ha dimostrato che le perdite di gestione (cioè l'energia utilizzata per mantenere cariche le batterie) rappresentano il fattore che incide in misura
maggiore sull'impronta di carbonio di un UPS e delle relative batterie in un ciclo di
vita di 10 anni. La differenza di perdite di gestione tra i due sistemi, tuttavia, non è
notevole e in un sistema o nell'altro dipende dalle condizioni di utilizzo specifiche.
Per mantenere cariche le batterie agli ioni di litio, occorre meno energia rispetto a
quella richiesta dalle batterie al piombo-acido. L'efficienza del ciclo di carica è pari
al 90% per le batterie agli ioni di litio, rispetto all'80-85% di quelle al piombo-acido.
Le batterie al piombo-acido, inoltre, si scaricano da sé più rapidamente rispetto a
quelle agli ioni di litio. Questi vantaggi in termini di efficienza, tuttavia, sono ridotti
dalla necessità di un sistema BMS per le batterie agli ioni di litio, allo scopo di proteggerle dai corto circuiti e dalla sovraccarica; tale sistema consuma energia, per
cui le spese di gestione totali tra i due sistemi sono molto simili.
Il fattore dominante per la determinazione di un'impronta di carbonio di 10-15 anni
implica notevoli complessità, per cui è opportuno considerare altri fattori. Dal momento che le batterie agli ioni di litio contenenti materiali che è possibile conferire in
discarica in maniera sicura sono riciclabili e siccome il ciclo di vita di queste batterie è 2-3 volte superiore a quello delle batterie al piombo-acido, si può affermare
che le batterie agli ioni di litio sono più ecologiche. Occorre tenere presente, tuttavia, che la percentuale di riciclo del piombo delle batterie al piombo-acido è pari al
99% 5 e oltre il 90% delle batterie vengono raccolte 6 (queste percentuali sono relative al Nord America e sono simili in Europa e in Giappone). Lo stato del riciclo
delle batterie agli ioni di litio, invece, specialmente quelle più grandi (ad es. quelle
per i veicoli elettrici e gli UPS dei Data Center), è molto meno maturo. Per ulteriori
informazioni, leggere la prossima domanda frequente.
Sono riciclabili?
Sì, sono riciclabili ed esistono molte aziende di riciclo che ritirano le batterie agli
ioni di litio più piccole. Nel momento in cui è stato scritto questo white-paper, tuttavia, la maggior parte delle batterie più piccole vengono semplicemente raccolte e
destinate alla demolizione o all'incenerimento, anche se alcuni materiali utilizzati
nella produzione potrebbero essere recuperati. Sono molti i materiali che finiscono
in discarica, in quanto dal punto di vista puramente finanziario il riciclo delle batterie agli ioni di litio per il recupero di quantità di litio molto esigue e altri metalli più
comuni e meno preziosi (alluminio, nichel ecc...) non è economicamente conveniente. La ricerca sta cercando di migliorare l'economia del riciclo e i governi
stanno cominciando a incoraggiare, incentivare o imporre la raccolta e il corretto riciclo delle batterie.
Il riciclo delle batterie agli ioni di litio di maggiori dimensioni (ad es. i gruppi batterie
per i veicoli elettrici e gli UPS dei Data Center) è più complicato. Date le loro dimensioni, i rischi per la sicurezza insiti nella manipolazione, nell'incenerimento e nella
separazione degli elementi costituenti sono maggiori. Queste grosse batterie sono
dotate di schede PCB e relativi circuiti che richiedono notevoli interventi manuali
per il disassemblaggio e la preparazione alla demolizione. Nel momento in cui è
4
White paper 209, Analisi dell'impronta di carbonio durante tutto il ciclo di vita delle batterie e dei sistemi a volano
5
http://c.ymcdn.com/sites/batterycouncil.org/resource/resmgr/Press_Releases/Recycling_Study_Press_Releas.pdf (ultimo accesso il 26/02/2016)
6
http://www.gsbattery.com/content/recycling (ultimo accesso il 26/02/2016)
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stato scritto questo white-paper, sono poche le aziende in grado di riciclare e trattare questi grossi sistemi di batterie agli ioni di litio. Il mercato non è maturo e la domanda è molto limitata perché le batterie agli ioni di litio che hanno già raggiunto il
fine vita sono ancora poche, ma siccome si prevede che questo tipo di batterie si
diffonderanno sempre di più per l'alimentazione di veicoli elettrici, UPS e altre applicazioni, le aziende di riciclo stanno cominciando a organizzarsi per gestire queste
grosse batterie.
Schneider Electric ritiene che per le grosse batterie agli ioni di litio acquistate attualmente per gli UPS saranno disponibili molte più opzioni di riciclo quando sarà
necessario sostituirle tra 10-15 anni. Per informazioni specifiche sulle opzioni attualmente disponibili per le varie batterie, rivolgersi ai fornitori.
Per il trasporto occorrono accorgimenti particolari?
Sì, le norme variano da paese a paese, ma una guida efficace sulle limitazioni e sui
requisiti per il trasporto aereo è fornita dall'IATA (International Air Transport Association), l'associazione internazionale per il trasporto aereo, e dalle norme DGR
(Dangerous Goods Regulation) sulle merci pericolose, 7 che descrivono gli obblighi
da seguire per le spedizioni aeree in materia di dimensioni, peso e numero di unità.
Per il trasporto delle batterie al litio occorre distinguere materiali pericolosi appartenenti o meno alla Classe 9 8; quelli non appartenenti alla Classe 9 possono essere
trasportati in quantità e volumi inferiori, mentre per quelli appartenenti alla Classe 9
è consentito il trasporto di batterie in numero e taglia superiori. Ogni classe include
etichettatura, confezionamento e altri requisiti di gestione specifici.
Occorre tenere presente che le batterie di tutti i tipi sono soggette a requisiti e limitazioni; ad esempio, le batterie spedite all'interno di apparecchiature generalmente
non devono essere staccate. Anche se tutti questi requisiti possono sembrare onerosi per l'utente finale o il rivenditore, è il produttore del sistema che generalmente
si assume l'onere e la responsabilità di garantire la conformità tramite la progettazione, l'etichettatura, la documentazione per l'utente e il confezionamento.
L'uso di batterie agli ioni di litio richiede un sistema di gestione
delle batterie?
Sì, ma è già incluso in ogni sistema di batterie agli ioni di litio. Come indicato in precedenza, le batterie agli ioni di litio sono molto sensibili alla sovraccarica, ai corto
circuiti e alla scarica troppo rapida. Il sistema di gestione monitora continuamente
ogni cella della batteria e controlla il sistema di carica per escludere queste eventualità ed evitare danni o surriscaldamenti.
Qual è il tempo di ricarica rispetto alle batterie al piombo-acido?
Il caricabatterie generalmente è controllato e incluso nell'UPS. In questo caso, il
tempo necessario per caricare una batteria all'80% è più meno identico. L'efficienza
della carica delle batterie agli ioni di litio, però, è lievemente superiore, per cui tale
7
http://www.iata.org/publications/dgr/Pages/index.aspx (ultimo accesso il 19/01/2016)
8
http://batteryuniversity.com/learn/article/shipping_lithium_based_batteries_by_air (ultimo accesso il
26/02/2016)
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livello di carica viene raggiunto più rapidamente; dall'80 al 100% della carica, invece, le batterie agli ioni di litio si caricano molto più rapidamente di quelle al
piombo-acido e per raggiungere il 100% della carica una batteria agli ioni di litio
impiega da mezz'ora a un'ora, supponendo ovviamente che l'UPS sia in grado di
fornire l'alimentazione per una carica a questa velocità. In ogni caso, un sistema di
batterie al piombo-acido impiegherà 5-10 ore in più per raggiungere la carica del
100%.
Conclusioni
La tecnologia delle batterie agli ioni di litio si è evoluta al punto che attualmente
rappresenta una soluzione finanziariamente fattibile per le nuove applicazioni ed è
sicura nelle applicazioni di maggiori dimensioni, ad esempio autoveicoli elettrici e
UPS per Data Center. Le caratteristiche chimiche esclusive e il confezionamento
delle celle sono elementi di vantaggio rispetto alle alternative più tradizionali. Le
batterie agli ioni di litio per UPS sono più piccole, più leggere, si ricaricano più rapidamente e durano almeno il doppio di quelle al piombo-acido, che attualmente rappresentano la tecnologia di stoccaggio energetico più diffusa. La tecnologia agli
ioni di litio è senza dubbio quella più ecologica e sorprendentemente quella con il
costo totale di possesso più basso, nonostante i costi di acquisto superiori. Questo
white-paper si propone di rispondere ad alcune domande fondamentali dei nuovi
utenti e di aiutare specificatori e utenti di UPS affinché effettuino scelte razionali
nella valutazione delle tecnologie di stoccaggio energetico.
Informazioni sugli autori
Patrick Donovan è analista ricercatore presso il Data Center Science Center di Schneider Electric. Vanta oltre vent'anni di esperienza nello sviluppo e nel supporto di sistemi di alimentazione e
raffreddamento mission-critical per la divisione informatica di Schneider Electric, tra cui diverse
soluzioni all'avanguardia per la protezione, l'efficienza e la disponibilità dell'alimentazione. Autore
di molti white-paper, articoli di settore e valutazioni tecnologiche, le sue ricerche sulle tecnologie e
il mercato delle infrastrutture fisiche per Data Center offrono una guida e una consulenza sui migliori standard per la pianificazione, la progettazione e la gestione dei Data Center.
Martin Zacho è Senior Engineer per le tecnologie di stoccaggio energetico di Schneider Electric,
Secure Power, IT Business. È laureato in ingegneria informatica presso la University of Southern
Denmark. Ha iniziato la sua attività all'interno di Schneider Electric (allora American Power Conversion) nel 2000, lavorando sulle celle a idrogeno. Dopo tre anni è passato al controllo del firmware
e alla programmazione FPGA per la linea di prodotti Symmetra. Si è occupato di tutti gli aspetti
correlati alle tecnologie di stoccaggio energetico dal 2008, con un'attenzione speciale agli UPS
trifase di grandi dimensioni. Tra le tecnologie di riferimento figurano batterie di tipo piombo-acido,
ultracondensatori, sistemi a volano e varie soluzioni al litio. È membro del Danish Standardization
Committee per lo stoccaggio energetico.
Domande e risposte sull'uso di batterie agli ioni di litio con gli UPS
Schneider Electric – Data Center Science Center
Risorse
White paper 231 Rev. 0
12
Analisi dell'impronta di carbonio durante tutto il ciclo di vita delle batterie e dei
sistemi a volano
white-paper 209
La tecnologia delle batterie per i Data Center: confronto tra VRLA e ioni di litio
white-paper 229
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Strumento di calcolo per il confronto tra le batterie al piombo-acido e le batterie
agli ioni di litio
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Domande e risposte sull'uso di batterie agli ioni di litio con gli UPS
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