Le batterie al litio si distinguono dalle altre tipologie di batterie per la loro elevata densità di energia e il basso costo per ciclo. Tuttavia,"batteria al litio" è un termine ambiguo. Esistono circa sei tipologie chimiche comuni delle batterie al litio, tutte con vantaggi e svantaggi unici. Per le applicazioni di energia rinnovabile, la chimica predominante è il litio ferro fosfato (LiFePO4). Questa chimica ha un'eccellente sicurezza, con grande stabilità termica, elevate correnti nominali, lunga durata del ciclo e tolleranza agli abusi.
Il litio ferro fosfato (LiFePO4) è una chimica del litio estremamente stabile rispetto a quasi tutte le altre sostanze chimiche del litio. La batteria è assemblata con un materiale catodico naturalmente sicuro (fosfato di ferro). Rispetto ad altre sostanze chimiche al litio, il fosfato di ferro promuove un forte legame molecolare, che resiste a condizioni di carica estreme, prolunga la durata del ciclo e mantiene l'integrità chimica per molti cicli. Questo è ciò che conferisce a queste batterie la loro grande stabilità termica, lunga durata del ciclo e tolleranza agli abusi.
Le batterie LiFePO4 non sono soggette a surriscaldamento, né vengono smaltite a'fuga termica' e quindi non si surriscaldano o si incendiano se sottoposti a rigorose manipolazioni o condizioni ambientali difficili. A differenza del piombo acido e di altri prodotti chimici delle batterie, le batterie al litio non rilasciano gas pericolosi come l'idrogeno e l'ossigeno. Non c'è nemmeno pericolo di esposizione a elettroliti caustici come acido solforico o idrossido di potassio. Nella maggior parte dei casi, queste batterie possono essere conservate in aree ristrette senza il rischio di esplosione e un sistema progettato correttamente non dovrebbe richiedere raffreddamento attivo o ventilazione.
Le batterie al litio sono un insieme composto da molte celle, come le batterie al piombo e molti altri tipi di batterie. Le batterie al piombo hanno una tensione nominale di 2V/cella, mentre le celle delle batterie al litio hanno una tensione nominale di 3,2V. Pertanto, per ottenere una batteria da 12 V,'in genere avrai quattro celle collegate in serie. Questo renderà la tensione nominale di un LiFePO4 12,8 V. Otto celle collegate in serie formano una batteria da 24 V con una tensione nominale di 25,6 V e sedici celle collegate in serie formano una batteria da 48 V con una tensione nominale di 51,2 V. Queste tensioni funzionano molto bene con i tipici inverter a 12V, 24V e 48V.
Le batterie al litio sono spesso utilizzate per sostituire direttamente le batterie al piombo perché hanno tensioni di carica molto simili. Una batteria LiFePO4 a quattro celle (12,8 V) avrà in genere una tensione di carica massima tra 14,4-14,6 V (a seconda delle raccomandazioni del produttore). Ciò che'è unico per una batteria al litio è che non hanno bisogno di una carica di assorbimento o di essere mantenute in uno stato di tensione costante per periodi di tempo significativi.
In genere, quando la batteria raggiunge la massima tensione di carica non ha più bisogno di essere caricata. Anche le caratteristiche di scarica delle batterie LiFePO4 sono uniche. Durante la scarica, le batterie al litio manterranno una tensione molto più alta di quella che normalmente farebbero le batterie al piombo sotto carico. Non è raro che una batteria al litio scenda solo di pochi decimi di volt da una carica completa al 75% di scarica. Ciò può rendere difficile stabilire quanta capacità è stata utilizzata senza l'apparecchiatura di monitoraggio della batteria.
Un vantaggio significativo delle batterie al litio rispetto alle batterie al piombo è che non soffrono di cicli di deficit. In sostanza, questo è quando le batterie non possono essere completamente caricate prima di essere scaricate nuovamente il giorno successivo. Questo è un problema molto grande con le batterie al piombo e può favorire un significativo degrado della piastra se utilizzato ripetutamente in questo modo. Le batterie LiFePO4 non devono essere completamente caricate regolarmente. In effetti, è possibile migliorare leggermente l'aspettativa di vita complessiva con una leggera carica parziale invece di una carica completa. L'efficienza è un fattore molto importante nella progettazione di impianti solari elettrici. L'efficienza di andata e ritorno (da piena a scarica e di nuovo a piena) della batteria al piombo media è di circa l'80%. Altre sostanze chimiche possono essere anche peggiori. L'efficienza energetica di andata e ritorno di una batteria al litio ferro fosfato è superiore al 95-98%. Questo da solo è un miglioramento significativo per i sistemi affamati di energia solare durante l'inverno, il risparmio di carburante derivante dalla ricarica del generatore può essere enorme.
La fase di carica ad assorbimento delle batterie al piombo è particolarmente inefficiente, con efficienze del 50% o anche inferiori. Considerando che le batterie al litio non assorbono la carica, il tempo di ricarica da completamente scarica a completamente pieno può essere di appena due ore. È anche importante notare che una batteria al litio può subire una scarica quasi completa come valutato senza effetti negativi significativi.
È, tuttavia, importante assicurarsi che le singole cellule non si scarichino eccessivamente. Questo è il compito del sistema integrato di gestione della batteria (BMS). La sicurezza e l'affidabilità delle batterie al litio sono una grande preoccupazione, quindi tutti gli assemblaggi dovrebbero avere un sistema di gestione della batteria integrato (BMS). Il BMS è un sistema che monitora, valuta, bilancia e protegge le cellule dal funzionamento al di fuori della"Area operativa sicura". Il BMS è un componente di sicurezza essenziale di un sistema di batterie al litio, che monitora e protegge le celle all'interno della batteria da sovracorrente, sotto/sovratensione, sotto/sovratemperatura e altro.
Una cella LiFePO4 sarà danneggiata in modo permanente se la tensione della cella scende a meno di 2,5 V, sarà anche danneggiata in modo permanente se la tensione della cella aumenta a più di 4,2 V. Il BMS monitora ogni cella e previene danni alle celle in caso di sotto/sovratensione. Un'altra responsabilità essenziale del BMS è bilanciare il pacco durante la ricarica, garantendo a tutte le celle una carica completa senza sovraccaricarsi. Le celle di una batteria LiFePO4 non si bilanciano automaticamente alla fine del ciclo di carica. Ci sono lievi variazioni nell'impedenza attraverso le celle e quindi nessuna cella è identica al 100%.
Pertanto, quando vengono ciclate, alcune celle verranno completamente caricate o scaricate prima di altre. La varianza tra le celle aumenterà significativamente nel tempo se le celle non sono bilanciate. Nelle batterie al piombo, la corrente continuerà a fluire anche quando una o più celle sono completamente cariche. Questo è il risultato dell'elettrolisi che avviene all'interno della batteria, l'acqua che si divide in idrogeno e ossigeno. Questa corrente aiuta a caricare completamente altre celle, bilanciando così naturalmente la carica su tutte le celle.
Tuttavia, una cella al litio completamente carica avrà una resistenza molto elevata e scorrerà pochissima corrente. Le celle in ritardo quindi non saranno completamente cariche. Durante il bilanciamento, il BMS applicherà un piccolo carico alle celle completamente cariche, impedendo il sovraccarico e consentendo alle altre celle di recuperare. Le batterie al litio offrono molti vantaggi rispetto ad altri tipi di batterie. Sono una soluzione di batteria sicura e affidabile, senza timore di fughe termiche e/o fusione catastrofica, che è una possibilità significativa da altri tipi di batterie al litio. Queste batterie offrono una durata del ciclo estremamente lunga, con alcuni produttori che garantiscono persino batterie fino a 10.000 cicli. Con elevate velocità di scarica e ricarica fino a C/2 continue e un'efficienza di andata e ritorno fino al 98%, non c'è da meravigliarsi se queste batterie stanno guadagnando terreno nel settore. Il litio ferro fosfato (LiFePO4) è una soluzione perfetta per l'accumulo di energia.
