Le batterie del futuro: Litio-Silicio, Litio-Aria, Litio-Zolfo, Grafene ...

[lucusta]

Si, intendevo dire perché mettere le 10Ah in parallelo quando ci sono le 50, le 60 e le 100Ah... perché, questione di spazio?

[jumpjack]

Mi servono 64V/50Ah, e queste sono celle da 3,2V.

[lucusta]

bhe', 5C ci arrivano anche le winston, anche a 20C, ma di picco (uno, due secondi), solo che queste sono ibride, ed avranno anche la parte capacitiva che aiuta (bisognerebe avere qualche grafico di scarica rapida per capire come).
essendo ibride, piu' piccole sono, piu' il peso della parte capacitiva si fa' sentire.. non ho capito la dicitura "tall" e "short", ma su quelle piccole da 10Ah la differenza e' parecchia.
poi perche' 20X5? con 20 da 100Ah non fai meglio? pesano 2,8Kg... e 5000$!!!
acc... che prezzi!

[jumpjack]

5C???
5000 cicli??
Eccezionali!
Sul mio scooter ci dovrei mettere per esempio 5x20 5celle da 10Ah/3.2V/25$, per un prezzo totale di 2500$... Cribbio se è tanto! :-( 80 centesimi a Wh!
E peserebbero 32 kg invece che 20.. :-(
Altra seccatura è che sono in America... O non le spediscono, o la spedizione costa una fortuna.

Pero' sono interessanti.

[lucusta]

JJ, gironzolando ho trovato queste:
5-25C, 100Ah, 3.2V NEB Super Caps Hybrid Super Capacitor LiFePO4 Lithium Battery
abcora non ho fatto ricerche approfondite, ma da una rapida lettura dei dati sono affascinanti.

[jumpjack]

Il prossimo Febbraio in California, conferenza sulle batterie che si preannuncia interessante (parleranno anche delle Envia Systems):
Session A3 - LLIBTA Symposium 2013 - AAB

[jumpjack]

Sintonizzate i vostri feed su Envia Systems: dicono di avere pronta una batteria da 400 Wh/kg!!!
USA; We need more energy: Envia Systems’ 400 Wh/kg Li-ion cells
Persone coinvolte:
Kumar, Sinkula, Atul Kapadia.

[lucusta]

ad oggi l'elettrodo piu' usato e' quello al "carbonio attivo" (carbonio come quello che si usa nei filtri), che ha un elevato rapporto superficie/volume (o peso), ma l'inconveniente maggiore e' dovuto al fatto che non ha queste caratteristiche solo superficialmente, e' tutto poroso.
per gli elettrodi viene "ricopmresso", ma comunque, anche se si riesce ad ottenerlo quasi puro, rimangono occlusi i gas.

il principio di un buon elettrodo e' quello appunto di ottenere un'elevata superficie di contatto pur rimanendo piccolo e leggero, ed il carbonio attivo e' per ora quello che e' economicamente piu' fattibile, in quanto un solo grammo puo' ottenere una superficie di un campo da pallone (e' anche per questa ragione che si usa nella purificazione/filtrazione); avere una buona conducibilita' elettrica, ed essere inerte rispetto alla chimica adottata nella cella; fatto sta' che non e' che sia il migliore conduttore elettrico.
altri tipi di elettrodi esistono, soprattutto oggi con l'avvento delle nanotecnologie, ma nella maggior parte dei casi sono costruzioni tecnologiche, e non hanno la stessa durata di quella del carbonio attivo.
grafene, nano tubi di carbonio, fullerene (tutti stati allontropici del carbonio, come grafite e diamante), sono quelli piu' sperimentati, ma a me convince poco tale tipo di applicazione.
altri cristalli possono essere di gran lunga piu' efficaci, soprattutto per quanto riguarda la resistenza.
confido anche io negli elettrodi al silicio, anche perche' la silice e' gia' ampiamente usata in molti altri campi in forma micrometrica (io la uso normalmente anche sotto i 2 micron selezionata, ossia con basso gap dimensionale), ed ottenerla di un ordine inferiore non e' difficile; e' inerte (se l'ambiente ha un pH non agli eccessi), ma... dev'essere per forza di cose drogata, perche' non conduce elettricita'.
di solito e' comunque facile drogarla o addizionarla. anche la silice in perle ha un rapporto superficie/volume(peso) molto proficuo, gia' in micron, figuriamoci se si fanno grani piu' piccoli.
per quanto riguarda la resistenza della struttura granulare della silice, io che la uso in colonnine impaccate con granulometria da 2 micron, le riessco a sparare anche a 400-600 bar di pressione per un monte ore superiore a 5000 (oltre va' fuori le nostre specifiche, ma l'applicazione e' diversa), quindi non credo che siano cosi' tenere da sgretolarsi facilmente... ma, come ho detto, sono applicazioni diverse, e la nostra e' pura silice, non addizionata se non superficialmente.

[UbUb]

Perfettamente d'accordo con Lucusta. Personalmente, sto lavorando su VRB da 15-25 kWh e 5 kW, convinto che la famiglia comune abbia bisogno di qualcosa del genere.

[jumpjack]

Una recente scoperta sembra rendere più vicine le batterie Litio-Silicio, che andrebbero a rimpiazzare le attuali Litio-Carbonio (tutte le Litio attuali hanno un elettrodo in carbonio):
Boosting lithium battery performance by adding crushed silicon | RC Heli Resource

Il problema è che l'elettrodo di silicio diventa 4 volte più grande durante la ricarica, e finisce per sbriciolarsi dopo pochi cicli...
Quindi stanno cercando sistemi per evitarlo, e questo sarebbe uno.

Sembra anche che un tipo (non so quale) di batteria litio-silicio sia di "imminente commercializzazione", anche se non necessariamente per le auto:
" Industry R&D in silicon-
based anodes is widespread, and the release of commercial products for portable
electronics seems imminent, although simultaneous achievement of high capacity and
sufficient cycle and calendar life for automotive applications remains to be demonstrated. "
Lo dicono in un rapporto dell'NPC dell'agosto di quest'anno ( National Petroleum Council (?????) )

[lucusta]

la qualita' sciama, o meglio i prezzi si alzano, si...
c'e' da dire comunque che si mercato e' stato drogato dagli incentivi.
non che sia un male, anzi (e' una soluzione realmente funzionale, soprattutto per il prossimo futuro separare la produzione di energia elettrica a uso civile da quella ad uso industriale), ma la gente "non sensibilizzata" ancora non ha difficolta' a prendere una decisione, e di fregature ne danno parecchie.
ad uso civile basta un UPS da 20KWh e si e no da 5KW di potenza, e non sarebbe difficile farlo con una VRB, eliminando la necessita' di doppio scambio con il fornitore, che e' solo un impiccio burocratico.
con grandi numeri il prezzo arriverebbe a meno di 1000 euro al KW (ripeto che per le VBR parlare di capacita' e' sinonimo di dire fare i serbatoi piu' grandi... e' solo un problema d'ingombro);
avere un UPS consentirebbe alle persone di rimanere totalmente autonome, ed alla griglia di essere dimensionata solo per uso industriale e autotrasporto.
ad oggi pero' un UPS di tali capacita' e potenza ha un costo esagerato, ed una vita stimata che nel migliore dei casi arriverebbe a meno di 10 anni.

nella mia proiezione futura, comunque, i sistemi cambieranno: tra' 10 anni l'auto elettrica ad uso civile diverra' realta' (nel senso che chi comprera' un'auto eletrica nel 2020 probabilmente, quando la dovra' cambiare, trovera' sul mercato solo auto elettriche o quantomeno saranno economicamente piu' vantaggiose rispetto alle endotermiche (con quest'andazzo probabilmente solo per una questione di tassazione); la gente avra' minimo 2 auto elettriche a casa: una utilitaria, da usare tutti i giorni, ed una grande, da usare per gli spostamenti non cittadini, e questa puo' diventare un comodo UPS mobile, annoverando ben piu' di 50KWh di capacita' (e logicamente una potenza di tale ordine).

gia' oggi il sistema sarebbe bilanciato:
auto elettrica di grande autonomia, auto elettrica cittadina, impianto fotovoltaico di potenza (sui 20KWp) coadiuvato con un solare termico, hanno un costo vita paragonabile alla proiezione dei costi di una berlina endotermica, un utilitaria endotermica e i classici costi dei fornitori di energia... solo che bisogna anticipare oltre 100.000 euro sull'unghi, ed avere le condizioni logistiche giuste (abitazione con garage per l'auto grande da utilizzare anche come UPS e spazio per almeno un FV da 20KWp).

le VBR piccole ed a costo accettabile avrebbero solo anticitato questa cosa.

[UbUb]

In effetti da me si sta pensando alle VRB proprio come peak shaving, pensando a un sistema 500 kW, 4 MWh, e un sistema Prudent costa più di 1 M EUR, quindi i tuoi numeri sono giusti. Abbiamo la tendenza a fidarci delle 100,000 ore di vita promesse. Devo dire che oggi forse l'anello debole di un sistema PV + accumulo è proprio il pannello PV : vetri sempre meno resistenti, policristallini dubbi, eccetera - d'altra parte, a 0,5 EUR/W, cosa ci si aspetta?

[lucusta]

Grazie UbUb per la segnalazione;
comunque precisa che le vanadio-redox sono prettamente per impianti fissi, visto l'uso di 2 serbatoi con liquidi e la cella di reazione... di sistemi "portatili" non ne ho mai sentito nemmeno parlare, visto la bassa potenza che hanno, anche se hanno una "ricarica veloce" sostituendo i liquidi.
avevo letto tempo addietro le caratteristiche degli ultimi sistemi, e sono a mio avviso perfette per l'UpS fotovoltaico (avendo spazio).
non ho mai capito quanto costano, pero'...

dal pdf si intravere un 2500-3000$ al KW (credo che parlare di KWh su una VBR inneschi un sacco di chiacchere), e sono tanti, anche se durerebbero una vita.

[UbUb]

A chi interessa (a me, per esempio, parecchio), segnalo questo studio ENEA :
http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema-elettrico/tecnologie-elettriche/rds-303-122-d-strategie-di-gestione-e-controllo.pdf
che mi sembra ben fatto.
Poi qualche considerazione. Le batterie VRB (Vanadio-Redox), come in genere tutte le batterie redox, sono ideali per grandi capacità e basse potenze : per dire, una batteria che eroghi una potenza di 3 kW ma con capacità di 100 kWh costa in proporzione 1; la stessa, per 200 kWh costerà più o meno 1.25. Invece, per 6 kW e 100 kWh costa più o meno 1.7.

[lucusta]

Sono arrivate le batterie ai nanofosfati!!!
Chissà dove/come si comprano e quanto costano?!?

"...According to the testing performed to date at the Ohio State University's Center for Automotive Research (CAR) and the very low observed rate of aging, cells built with A123's Nanophosphate EXT are expected to be capable of retaining more than 90 percent of initial capacity after 2,000 full charge-discharge cycles at 45 degrees Celsius. CAR has also starting testing the cold temperature performance of Nanophosphate EXT, which A123 expects will deliver a 20 percent increase in power at temperatures as low as minus 30 degrees Celsius..."

batterie a 45°C e -30°C.. gli vogliono male!

comunque l'incremento di capacita' e' dato appunto dal fatto che le litio normali la temperatura la soffrono realmente tanto, perche' a -30°C l'acetonitrile che compone il liquido inerte al loro interno e' piu' vischioso (congela a -45°C), non e' dato perche' ne hanno di piu', ma solo perche' in quelle condizioni riescono a mantenerne di piu'.

e poi il confronto e' fatto con le AGM!





costano 2 volte e mezza una AGM, che a sua volta costa una volta e mezza una pb-gel di pari capacita'..
a spanne sono circa 5$ ad Ah.

"...The company said production of batteries based on the new technology will begin in the first of half of 2013.

It will initially make 20 ampere-hour prismatic cells with Nanophosphate EXT. It is also evaluating plans to offer the technology across all its cell products...."

una 20 Ah costerebbe sui 100$, contro i 25 di quelli odierni (e conta che le LYP sono a circa 1$ ad Ah, ma al solito nelle celle piccole che' piu' involucro).

"...A123 shares were trading at $1.23, up 18 percent, on Tuesday morning on the Nasdaq..." (e ce credo!)

JJ, si dovranno leggere attentamente i datasheet, perche' credo che abbiano ancor meno di quelle normali.

[lucusta]

ah.. c'e' anche la vecchia ma sempre buona pila a concentrazione (per impianti fissi).
accellerandola (ossia riscaldando la parte concentrata con solare termico o con gli stessi pannelli fotovoltaici), si puo' ottenere una buona corrente per uso back-up.
stesso discorso con la "pila marina", acqua e sale a diversa concentrazione a contatto con uno "spinello sacrificale" (si usano sulle barche per evitare la corrosione della salsedine).... a memoria ricordo circa 0.5V per evitare la corrosione come forza elettromotrice inversa, quindi e' presumibile riuscire ad arrivare a tale voltaggio.
sarebbero pero' per impianti belli grandi, se esistessero commercialmente (perche' non so' se vengono prodotti aggeggi del genere), ma anni fa' calcolai che con 1 metro cubo di acqua e sale e uno di acqua pura ci si poteva fare qualche KWh.

[jumpjack]

Sono arrivate le batterie ai nanofosfati!!!


Lithium Ion Battery Technology | Nanophosphate EXT | A123

2000 cicli di carica al 100%!!!

Notare che il grafico si ferma a 93%, mentre il numero di cicli è usualmente definito come quello oltre il quale la capacità si riduce all'80%.

Chissà dove/come si comprano e quanto costano?!?

[lucusta]

http://www.americanvanadium.com/lith...-batteries.php

[lucusta]

capacita' specifica limitata, potenza specifica elevata, sono il difetto e il pregio di queste batterie.
a pari peso ottieni il 20-30% (o il 200% in piu', in rari casi) in piu' dalle altre "big cell" che si possono comunque permettere un buon margine di scarica, e non sei costretto a metterle in parallelo (cosa che si puo' fare, ma sempre meglio evitare per questioni di bilanciamento).
queste vanno bene per fare pacchi per bici elettriche (o robot automi), in quanto la loro elevata capacita' di scarica compensa ampiamente la minore capacita' per l'uso su una bici (la bici consuma comunque poco, quindi anche se il pacco non ha molta capacita' e comunque piccolo e leggero e ti da' anche 40Km di autonomia).
le A123 system sono usate nel formato piccolo su alcune moto elettriche da competizione (TXT o drugster elettrici), in quanto si possono ottenere grandi serie e quindi alti voltaggi.
il loro alto costo ne sconsiglia comunque l'uso su un mezzo elettrico di medie dimensioni.

in effetti il limite della mobilita' elettrica e' la carica specifica gravimentrica e volumetrica... quando fai un pacco da 60KWh, anche se scarichi a 1C soltanto hai gia' sufficente potenza per la maggior parte dei veicoli normali.

[giocol62]

Stavo guardando le celle A123 da 20 Ah che vendono sul sito della Ecopolis.

Sono solo da 20Ah, purtroppo, ma forse facendo una combinazione di celle in serie e parallelo (per portarla al giusto voltaggio e ad un amperaggio maggiore) si potrebbe ottenere una batteria per un mezzo elettrico decisamente piccola.
O sbaglio?
Come detto sopra, anche se ho letto molto sono abbastanza ignorante in materia, e quindi a volte le sparo...

[lucusta]

per questo anche prima (credo dal 1992, il primo esemplare EDIT: nel '90 con 250 esemplari)... solo che le zebra sono proprio ostiche...
costano
stanno a 300°C
sono di un unico tipo
e quel tipo pesa ed ha un solo voltaggio
sotto la panda si esauriscono in 6 anni (molti ci sono rimasti a piedi anche prima).

le zebra le distribuisce la fiamm, ora.

[jumpjack]

sono depresso, oggi ho scoperto che nel 2006 sulla panda elettrica erano montate batterie ZEBRA da 125 Wh/kg.

[lucusta]

ultimamente stavo studiando la chimica di una cella con sale litio-alluminio; promettente.

il litio, ossidato ad alta temperatura, ha una densita' energetica di circa 12KWh/Kg, ma conteggiando solo litio; una cella galvanica (sia essa di prima o seconda specie, ossia non ricaricabile o ricaricabile) e' in ambiente isolato, quindi con reagenti e prodotti isolati dall'esterno (se non si considerano le celle aperte tipo zinco-aria o alluminio-aria); se gia' solo metti nel conto l'ossigeno necessario (vabe' non e' tanto peso), e il prodotto finale (Li2O), diventa decisamente inferiore: 3.71KWh/Kg, e questo considerando dei prodotti e dei sottoprodotti decisamente leggeri, ne involucro ne altro (ed in una cella galvanica c'e' tanto altro).
quindi che loro dicono che possono arrivare a 1,8KWh/Kg... e' assai difficile riuscirci.
e' presumibile che la miglior batteria al litio-xxx non porta' mai superare i 600Wh/Kg di energia specifica.... valori piu' alti, su questa chimica, sono utopistici.
le batterie per autoveicoli elettrici devono arrivara ad una densita' energetica di 1KWh/Kg per superare quella di un litro di benzina (circa 13KWh/Kg, ma essendo un litro 0.72Kg e avendo un'auto un rendimento reale medio di circa il 10%, si arriva a circa 0,936KWh/litro senza contare il peso del serbatoio); a quel punto avere batterie o benzina non cambiera' praticamente nulla nell'uso comune di un autoveicolo.

una curiosita':
il nostro metabolismo ha un elevato rendimento e si fa' spurio un bel 10KWh per ogni chilo di grasso "bruciato".. le migliori pile siamo noi e le nostre manigle dell'amore! (il che indica che aivoja a correre per smaltire ciccia!)

[jumpjack]

Non mi ricordo se l'ho già postato questo... cmq una batteria di DUE chili sul mio scooter non sarebbe male!
Batterie più capaci e a lunga durata, superata la tecnologia agli ioni di litio | Blog PcTuner: letture e aggiornamenti dal mondo Hi-tech

[jumpjack]

Ho trovato una vera e propria miniera d'oro d'informazioni, in lingua italiana: l'archivio delle ricerche dell'ENEA!
Report — Enea

Pero' c'e' da fare indigestione a leggersele tutte...

Il programma "Ricerca Sistema Elettrico" di cui fanno parte queste ricerche ha anche un sito dedicato:
Home

[jumpjack]

Sarà meglio tenere d'occhio la PolyPlus: ha inventato batterie con elettrodi in litio metallico "protetto" (protected lithium electrode (PLE)) che permetterebbe di realizzare batterie litio-aria e litio acqua.
Loro promettono finoa 1000 Wh/kg, chissà...
PolyPlus Lithium-Water

.

[jumpjack]

Da una presentazione della NASA del 2010:

Metal Air Battery Development

Human Research Program –
High energy battery to power Mobile Oxygen Concentrator for Spacecraft Emergencies

Li-Air System – candidate technology to meet high energy needs (>1850 Wh/kg)

Leverage SBIR program to support this development

C'e' chi si lamenta tanto della presunta inutilità/costosità delle missioni spaziali. Ma non tutti sanno che i satelliti funzionano a batterie (non prendono energia direttamente dai pannelli solari, quelli servono solo per ricaricare le batterie!), e che mandare 1 kg di materiale nello spazio costa 10 mila dollari. Ergo, gli enti spaziali hanno tutto l'interesse a creare batterie capienti e leggere.
Quindi un'importante ricaduta della ricerca spaziale potrebbe essere la creazione della tanto agognata superbatteria che ci darà 500 km di autonomia sull'auto elettrica!

O meglio... se davvero si riuscisse a creare una batteria da 1850 Wh/kg (???), l'autonomia di un'auto elettrica con una batteria del peso di quelle attuali (200 kg) diventerebbe di circa 2500 (duemilacinquecento) chilometri...
(hai voglia a caricarla!! ;-) )

Il Glenn Research Center della NASA (GRC) è il reparto che si occupa dele ricerche sulle batterie.

Antiche ricerche e studi sui veicoli elettrici:
Science.gov v5.0 : Main View : Search Results for Full Record: near-term electric vehicle

Advanced Lithium-Ion Cell Development for NASA’s Constellation Missions:
https://batteryworkshop.msfc.nasa.go...tion_CReid.pdf

[jumpjack]

sì, c'è anche una ditta italiana che fabbrica batterie ibride litio-supercondensatori... ma non le vende (ai privati)!
e' la helionix.

[giocol62]

Bella discussione jumpjack.
Io sono abbastanza ignorante sul tema, ma sicuramente se sento/leggo qualcosa sulle evoluzioni cercherò di dare il mio contributo.
Per ora quello che posso aggiungere al tuo interessantissimo post è quanto ho sentito lo scorso hanno ad un convegno sul tema.
In quell'occasione i relatori dicevano che il futuro dovrebbe essere sui supercondensatori (o utracapacitori, come vengono a volte chiamati con traduzione letterale dall'inglese); più precisamente loro parlavano di batterie ibride Litio (immagino qualsiasi tipo di quelli da te citati) + supercondensatori che dovrebbero supportare cicli di carica e scarica molto veloci.

Tu hai sentito niente in proposito?

[jumpjack]

Ah, c'è da "tenere d'occhio" Yi Gui e la sua ditta Amprius (per il momento fatta solo di "chiacchiere"....), che in futuro potrebbe commercializzare le sue batterie a "double-walled silicon nanotube anode" (anodo in nanotubi a doppio strato di silicio) da 6000 cicli e 10 volte la capacità di quelle attuali.