La Degradazione delle Batterie Ricaricabili a Causa del Ciclismo
Le batterie elettriche sono fonti fondamentali di energia elettrica in corrente continua. Convertendo l’energia chimica immagazzinata in energia elettrica attraverso un processo elettrochimico, forniscono una forza elettromotrice essenziale per il flusso di corrente nei circuiti elettrici ed elettronici. Una batteria tipica è costituita da una o più celle voltaiche.
Principio Fondamentale delle Celle Elettrochimiche
Il principio fondamentale di una cella elettrochimica si basa su reazioni redox spontanee che avvengono in due elettrodi separati da un elettrolita, una sostanza conduttiva ionica ma elettricamente isolante.
Degradazione per Ciclismo delle Batterie Ricaricabili
Ogni ciclo di carica-scarica comporta una certa degradazione delle batterie ricaricabili. Ciò avviene principalmente perché l’elettrolita migra lontano dagli elettrodi o a causa del distacco del materiale attivo dagli stessi. La “vita a ciclo” indicata nei fogli dati dei produttori specifica la durata in termini di numero di cicli per raggiungere l’80% della capacità nominale della batteria.
Interface Solido-Elettrolita (SEI) nelle Batterie al Litio-Ione
La degradazione e la perdita di capacità nelle batterie al litio-ione sono generalmente attribuite alla crescita dell’interfaccia solido-elettrolita (SEI), formata dalle reazioni tra gli elettrodi e l’elettrolita. Questa pellicola ostacola la reazione degli ioni di litio con gli elettrodi, degradando la cella col suo ispessimento.
Durata e Caratteristiche delle Diverse Batterie
Le batterie NiMH a bassa capacità (1.700–2.000 mA·h) possono essere caricate circa 1.000 volte, mentre quelle ad alta capacità (oltre 2.500 mA·h) durano circa 500 cicli. Le batterie NiCd sono generalmente valutate per 1.000 cicli. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio 18650 ha una vita a ciclo tipica di 300 – 500 cicli. Questo può ridursi significativamente a 200 cicli in situazioni di alto C-rate o alto DOD.
Fattori di Stress e Degradazione Accelerata
Nelle applicazioni reali, le celle agli ioni di litio subiscono una degradazione accelerata a causa di vari fattori di stress come profondi DOD, elevati C-rate, temperature estreme e funzionamento ad alti SOCs, impattando negativamente sulla capacità della cella.
Influenza della Temperatura sulla Degradazione
La degradazione è fortemente dipendente dalla temperatura: minima a temperatura ambiente, ma aumenta in ambienti caldi o freddi. Le batterie generano calore durante la carica e la scarica, specialmente ad alte correnti, e temperature elevate durante la carica possono portare a una degradazione della batteria.
Effetto del C-rate Elevato
Alti C-rate generano più calore, causando l’aumento della temperatura della cella e attivando i meccanismi di degradazione a temperatura elevata. Il C-rate riduce la vita utile e la capacità della batteria.
Profondità di Scarica e Ciclo di Vita
Per le batterie agli ioni di litio, la vita a ciclo di una cella dipende fortemente dal DOD. Un maggiore DOD comporta una maggiore perdita di ioni di litio e materiale elettrodo attivo. Ad alti DOD, possono verificarsi ulteriori meccanismi di degradazione, risultando in decomposizione e dissoluzione del materiale del catodo e sbiadimento della capacità.
Caratteristiche Comparate delle Batterie
Per confrontare e comprendere la capacità di ciascuna batteria, alcuni parametri importanti caratterizzano ogni tipo di batteria. Questi includono la tensione della cella, la tensione di taglio, la capacità, il C-rate e l’autoscarica, influenzando la scelta della batteria adeguata per dispositivi e scopi diversi.
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