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Batterie al litio a stato solido

Posted in auto elettriche, batterie by jumpjack on 27 agosto 2018

Ultimamente si sente parecchio parlare di batterie al litio a stato solido, e di svariati milioni di dollari investiti da varie aziende sulla loro ricerca e sviluppo; queste batterie occuperebbero infatti metà spazio (e metà peso) di quelle attuali, scatenando quindi una vera rivoluzione nella mobilità elettrica, quanto lo ha fatto l’introduzione delle Li-NCM da 250 Wh/kg al posto delle LiFePO4 da 100 Wh/kg.

Ecco un interessante grafico riassuntivo delle capacità gravimetriche e volumetriche di varie tecnologie  attualmente esistenti (a livello di cella; dentro una batteria le densità diminuiscono per la presenza di separatori, condizionatori, elettronica,…):

Fonte: https://www.researchgate.net/publication/320425585

Ecco una ricerca recentissima (2018) che descrive molto tecnicamente come sono fatte e funzionano (o funzioneranno) le  batterie al litio a elettrolita solido (Solid State Electrolite – SSE, o Solid State Battery – SSB), di cui esistono molteplici varianti, ma per ora tutte soltanto a livello di laboratorio: A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies – Andrew Ulvestad

Le uniche fuori dal laboratorio sono installate sulle auto elettriche Bollorè, ma hanno la densità gravimetrica delle LiFePO4 (100 Wh/kg) e devono lavorare a 80 °C.

La ricerca non parla però della nuova tecnologia inventata dal prof. Goodenough, inventore delle batterie al litio 30 anni fa, che ora (nel 2017), alla tenera età di 94 anni, le ha “perfezionate” inventando quelle a elettrolita solido vetroso.

In genere se una tecnologia per le batterie funziona, ci vuole una decina d’anni perchè arrivi sul mercato delle auto elettriche, forse qualcuno in meno perchè arrivi sui modellini telecomandati, più sacrificabili, e sui cellulari, perchè tanto la gente li comprerebbe anche se funzionassero a nitroglicerina…

Quindi non resta che aspettare, e intanto ringraziare questo simpatico vecchietto se la rivoluzione della mobilità elettrica è diventata possibile.

Prof. Goodenough

 

 

Tensioni di massima e minima carica batterie al litio

Posted in batterie by jumpjack on 28 luglio 2018

Ho trovato in rete dell’insolito e inaspettato materiale che mi ha permesso di aggiornare un vecchio post sulle tensioni tipiche di cella; “insolito e inaspettato” perchè il materiale è frutto di esperimenti dannosi e pericolosi effettuati su celle al litio, caricandole e scaricandole oltre le soglie-limite. Soglie che peraltro sono molto discusse in rete, e apparentemente soggettive.

Questi esperimenti oltre-limite sembrano finalmente gettare un po’ di luce sulla faccenda.

La fonte dei grafici originale è https://www.powerstream.com/lithium-phosphate-charge-voltage.htm , ma non il linko il sito perchè contiene informazioni pericolose.

LiFePO4

Nel primo grafico (LiFePO4) si vede che caricare una cella a 3.1V (curva in basso a sinistra) comporta un incremento minimo di energia (4-5%), quindi si può supporre che 3.0V sia ragionevolmente la tensione minima oltre la quale è inutile  scendere, per non danneggiare la cella; analogamente, caricando oltre i 4.16V “tipici”, si ha un incremento minimo di carica, ma si stressa la cella riducendone la vita utile.

Per una cella LiFePO4, quindi, l’intervallo di sicurezza (Safe Operating Area) può essere individuato fra 3.0 e 3.25V.

 

li-ion/LiPO/LiCoO2/NCM/NMC

Da osservazioni analoghe sul secondo grafico si può dedurre che per le li-ion/LiPO/LiCoO2/NCM l’intervallo di sicurezza (Safe Operating Area) può essere individuato fra 3.4V e 4.16V; notare che questo secondo tipo di cella è molto più sensibile alle tensioni errate, che possono portare a incendi ed esplosioni.

In caso di carico

Tutti questi valori sono validi in assenza di carico; con un carico applicato, bisogna tener conto che più alta è la corrente erogata, maggiore è l’abbassamento di tensione, che quindi può scendere sotto la soglia di sicurezza anche se a riposo la tensione ben più alta; utilizzare quindi la cella solo finchè a riposo si trova nella SOA garantisce che, anche sotto carico, la tensione non scenda sotto i livelli critici.

 

Tabella delle tensioni

Segue una tabella coi valori dedotti, oltre che dai suddetti grafici, anche da altre fonti:

Tensione
danneggiamento
Tensione
minima utile
Tensione nominale Tensione
batteria
carica
Tensione
di ricarica
Li-Ion/LiPo 3,0 3,4 3,6 4,16 4,20
NMC/NCM 3,0 3,4 3,7 4,16 4,20
LiFePO4 2,8 3,0 3,3 3,6 3,65

Da notare che:

  • li-ion/LiPO e NMC/NCM usano chimica simile a base di cobalto, quindi hanno all’incirca le stesse tensioni, ma le NCM/NMC sono intrinsecamente più sicure perchè vanno più difficilmente in fuga termica (incendio o esplosione) in caso di abuso, rispetto alle LiPO.
  • La tensione di ricarica NON coincide con la tensione di batteria carica: dopo la fine della carica, infatti, la tensione si abbassa di qualche puto decimale anche senza essere usata, assestandosi sulla tensione nominale.

Diario elettrico Ecojumbo 5000 – 16 settembre 2016: batteria guasta

Posted in batterie, scooter elettrici by jumpjack on 24 settembre 2016

Una batteria mi ha improvvisamene piantato.

Il contakm segna 13900.

Nel viaggio di andata la batteria non ha dato nessun problema, ma a ritorno ho notato che il voltmetro scendeva parecchio in accelerazione, e una volta a casa ho verificato che staccando l’altra batteria lo scooter si spegneva.

La cosa strana, però, è che la batteria (da 60V) dà 65 volt! Però, se la collego allo scooter, questo non si accende; se la collego al caricabatteria, questo attacca e stacca continuamente a intervalli casuali, come se ci fosse un falso contatto.

Ho smontato e ispezionato la batteria, ma non vedo danni evidenti sul BMS; c’erano un paio di piazzole un po’ sporche di non so cosa, ma non sembrava un cortocircuito o un falso contatto, e anche dopo aver ripulito non è cambiato niente.

Ho quindi ordinato un po’ di materiale per la riparazione e, approfittando dell’occasione, per un upgrade:

BMS LiFePO4 60V

 

  • Connettori JST da 8, 10 e 12 pin:

 

  • JST XA da 12 pin per PCB:

 

  • JST  XA 12 pin per cavo:

Corpo connettore PCB JST serie XA, femmina, 12 vie, 1 fila, passo 2,5mm

 

  • Pin:

Contatto per connettore PCB JST femmina, a crimpare

 

  • JST EH 8 pin  per PCB:

Connettore circuito stampato JST 8 vie 1 file passo 2,5mm, 3A diritto serie EH

 

  • JST EH 8 pin per cavo:

Corpo connettore PCB JST serie EH, 8 vie, 1 fila, passo 2,5mm

 

  • JST EH 10 pin per PCB:

Connettore circuito stampato JST 10 vie 1 file passo 2,5mm, 3A diritto serie XH

 

  • JST XH 10 pin per PCB:

Connettore circuito stampato JST 10 vie 1 file passo 2,5mm, 3A diritto serie EH

 

 

Pin strip femmina da 20 pin:

Winslow 2.54mm 20 Way 1 Row Straight Through Hole Female PCB Socket Strip

Il progetto è questo:

Il BMS originale (marcato “PCM-L20S40-321 (B-1)” su un lato e “F-321-20S-60A-203” dall’altra) ha due connettori da 10 pin (oltre a un terzo da 8 pin che va a un circuito separato di gestione della potenza); quello nuovo ha un connettore da 12 e uno da 8 pin. Voglio costruire un adattatore che permetta di collegarli tra loro senza dover tagliare i fili del BMS originale (che potrei anche riuscire a riparare prima o poi…), e già che ci sono voglio aggiungergli un terzo adattatore, a cui collegare un CellLog8s.

ecoitalmotor-002 ecoitalmotor-003

 

La batteria: (Al centro, tra le due coppie di pacchi HC-13A8F5 , si vede l’insolito PCB lungo e stretto che gestisce la parte di potenza del BMS.)

ecoitalmotor-001

 

L’adattatore sarà ovviamente esterno, così come il nuovo BMS, il che faciliterà la manutenzione in caso di problemi futuri, ma soprattutto permetterà di monitorare costantemente le celle.

Studiando il log dei tentativi di carica con BMS guasto, poi, potrei restringere la ricerca alla sola linea – su 20 – che dà effettivamente problemi, esaminando poi più a fondo i singoli componenti in cerca di microfratture, corti, o quant’altro. Il problema principale è che il BMS è costituito da due PCB a castello saldati tra loro, e al momento non riesco a separarli, il che rende ovviamente impossibile esaminare l’intero BMS…

20160924_171156

 

Mentre aspetto che arrivino i pezzi, forse potrei rimettere in servizio una vecchia batteria LiCoO2 dello Zem, che da sola tira fuori ben poca corrente ormai, ma comunque potrebbe aiutare un po’ la povera batteria superstite.

Avevo totalmente dismesso, ma non buttato, le vecchie batterie, sia perchè ormai davano poca corrente, sia perchè si era rotto il miliardesimo caricabatterie e non mi andava di spendere 90 euro per un altro…

Però tempo fa ho comprato due caricabatterie LiFePO4 per sostituirne uno rotto e averne uno di scorta: potrei provare ad abbassarne il voltaggio da 73 a 67.2, come necessario per caricare le LiCoO2; dovrebbe bastare ruotare il potenziometro giusto nella direzione giusta della quantità giusta

 


Intanto, sto considerando anche la possibilità di aggiungere finalmente una ulteriore batteria agli umili 36 Ah che ho ora (adesso temporaneamente ridotti addirittura a 18), visto che ho molto spazio disponibile: o per un’altra batteria come queste, o per “qualcosa” che entri in uno spazio di 25x15x30 cm. Le celle Panasonic NCR18650 da 3000-35000 mAh, 250 WH/kg e 650 Wh/L sembrano invitanti (a parte i pochi cicli, 300-500), specie ora che costano intorno ai 400$/kWh, ma anche le nuovissime celle NCM (Nickel-Cobalto-Manganese) sembrano molto invitanti (sarebbero l’evoluzione non incendiaria delle LiPo)… se solo qualcuno le vendesse! Al momento conosco quest’unico sito (Shenzen Westart Technology ltd.), che non è attrezzato per e-commerce ma solo per contatti diretti con aziende (come dire: per pagare bisognerebbe versare “a fiducia” 1000-2000 euro su un IBAN ricevuto per e-mail…).

Queste celle sembrano avere la stratosferica durata di 3-4000 cicli, una densità di 150-170 Wh/kg e sicurezza paragonabile alle LiFePO4. Da notare però che sono da 3,7V anzichè 3,3, quindi richiedono elettronica diversa dalle LiFePO4.

Se usassi celle del tipo 18650 potrei riutilizzare così com’è, senza modifiche e accrocchi, i contenitori delle vecchie batterie dello Zem, che erano composte da 96 celle (16S6P) LiPo di marca ignota ma dimensioni 18650; quelle erano da 4000 mAh, mentre le Panasonic NCR 18650 sarebbero da 3000 o al massimo 3500 (ce ne sono vari tipi), quindi arriverei, invece che a 24Ah, a 18-21 Ah.

Quelle vecchie batterie avevano un volume di circa 8 litri, quindi a livello di batteria avevano una  densità di  1440 Wh/8L = 180 Wh/L.

Con 96  celle panasonic da 650 Wh/L otterrei, nello stesso spazio, una batteria da 1260 Wh, cioè 157 Wh/L  (possibile che da cella a batteria si passi da 650 a 157 Wh/L?!?)