Come nascono i pacchi batterie? Materiali, tecnologie e best practice

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I sistemi di accumulo a batteria rappresentano, con sempre maggior frequenza, una soluzione da utilizzare per vari scopi, come sottolinea Roberto Romita – Industrial Key Account Manager – Industrial Division di Sparq. I BESS (Battery Energy Storage System) vengono impiegati per alimentare un’infinità di dispositivi e, grazie alla capacità più o meno elevata di stoccaggio temporaneo di energia, possono contribuire a rendere stabile le reti di distribuzione tradizionali.

L’interno di un BESS può essere composto da vari pacchi batteria, a seconda delle prestazioni richieste, nonché di sistemi di gestione dei pacchi stessi (BMS), software di gestione dell’intero sistema e naturalmente tutti gli accorgimenti di sicurezza che vanno dal raffreddamento all’impianto antincendio.

La qualità costruttiva di un pacco batterie può influire in modo significativo sulle prestazioni, sul ciclo di vita e sulla sicurezza. Infatti, per ottenere prestazioni e durata maggiori non basta disporre di un buon BMS poiché è essenziale scegliere materiali e tecniche di assemblaggio consoni; ciò significa, al di là della chimica delle celle, tenere in considerazione la composizione dei materiali utilizzati per effettuare le connessioni come anche la tipologia di saldatura per realizzare i collegamenti.

Le celle contenute nei pacchi possono essere configurate in modo da offrire un certo livello di voltaggio o di corrente. A seconda di ciò che è più adatto all’applicazione avremo un certo numero di celle configurate in serie o collegate in parallelo con altri gruppi di celle. Qual è il fattore da considerare prima di predisporre le celle in un certo modo? Innanzitutto bisogna sapere che la configurazione in serie delle celle consente di ottenere una tensione totale pari alla somma del numero delle celle collegate. Ad esempio, un pacco batterie composto da 100 celle da 1 V ciascuna configurate in serie avrà una tensione totale di 100 V e un valore di corrente uguale a quello di una singola cella. Predisponendo le celle in parallelo otterremo il risultato inverso rispetto alla serie poiché avremo un valore di corrente pari alla somma delle singole correnti di cella. A questo punto possiamo affermare che la configurazione in serie è più indicata laddove è necessario avere una tensione maggiore rispetto alla somma dei valori di tensione singoli, la modalità in parallelo, viceversa fornisce corrente complessiva maggiore rispetto alla somma dei singoli valori. Un esempio pratico può essere lo schema di collegamento dei motori elettrici – che seguono lo stesso principio delle celle riguardo a tensione/corrente – un tempo utilizzato per la trazione ferroviaria. Un certo numero di motori veniva combinato in serie o in parallelo, ma anche in configurazione mista, allo scopo di sviluppare più spunto o più velocità. Combinando i motori in serie si otteneva molto spunto inversamente proporzionale alla velocità di rotazione. Man mano che i motori venivano collegati in parallelo si ottenevano valori di corrente sempre più elevati e di conseguenza maggiore velocità. Tornando nell’ambito delle celle, a seconda delle applicazioni che possono richiedere valori di tensione relativamente alti assieme a un’autonomia prolungata, viene adottata la configurazione serie/parallelo di gruppi di celle, ossia un certo numero di gruppi di celle collegate in serie i cui capi finali vengono connessi in parallelo. In questo modo è possibile avere dalla serie un valore adeguato di tensione e dal parallelo la quantità di corrente per ottenere più potenza.

Avendo un pacco da 10 celle collegate in serie, dove ogni cella fornisce 1,2 V – 2700 mA, otterremo 12 V complessivi a 2700 mA. Se predisponiamo in parallelo due pacchi come quello appena descritto otterremo un valore totale di 12 V a 5400 mA. Predisponendo quindi un certo numero di pacchi in parallelo riusciremo ad ottenere valori di tensione e corrente adatti all’applicazione che vorremo sviluppare. Tuttavia, per il calcolo della tensione/corrente erogata va tenuto anche conto del valore di resistenza complessivo delle connessioni fra celle (che è dato dai materiali utilizzati e dal tipo di connessione); se vi è un numero ristretto avremo valori più che trascurabili mentre nei sistemi con molti pacchi il discorso cambia.

Il collegamento fisico fra celle è una delle fasi fondamentali durante la costruzione dei pacchi batteria. La tecnica di collegamento influisce direttamente sulla stabilità elettrica e sulla robustezza, ossia la tenuta meccanica del pacco. Ogni tecnica logicamente ha dei pro e contro in egual misura rispetto al materiale usato per il collegamento. Le tecniche più utilizzate per la connessione fra celle possono comprendere la saldatura laser, spot welding (a resistenza), TIG o anche a ultrasuoni.

La saldatura laser è una tecnica avanzata che attraverso un raggio fonde i materiali di connessione. Questa è più adatta al collegamento di celle di tipo prismatico, il vantaggio del laser è ovviamente l’altissima precisione poiché, rispetto agli altri metodi, il fascio può essere controllato in modo estremamente accurato. Un altro punto a favore è la bassa resistenza termica dovuta a una particolare concentrazione del calore proprio nel punto di saldatura: in questo modo la cella non subisce danni termici tipici delle saldature che sviluppano più calore.

Lo spot welding è la tecnica più comune per collegare le celle tipo 18650 o 21700. In modo analogo al procedimento automotive di saldatura delle lamiere, si hanno due elettrodi metallici a cui viene applicato un alto amperaggio per un breve periodo di tempo con il risultato di ottenere una fusione fra i materiali di contatto. Anche questo sistema, come il laser, ha un minimo impatto termico poiché vengono riscaldati soltanto i punti di contatto senza rischio di surriscaldamento delle celle e fornisce robustezza meccanica grazie alla fusione fra metalli. A differenza del laser, lo spot welding richiede però superfici pulite  senza ossidi e/o residui di lavorazioni precedenti – e che abbiano uno spessore che sia il più uniforme possibile (ad esempio, la porzione più sottile del nastro di collegamento potrebbe direttamente “bucarsi” a seguito della scarica e aderire in modo parziale all’elettrodo della cella). Nonostante il laser possa apparire un processo più costoso rispetto allo spot, in realtà è l’esatto contrario: i costi sono maggiori e vi è il rischio di non avere connessioni uniformi specie se le due superfici da saldare non sono perfettamente piatte.

La saldatura TIG è una tecnica senza contatto e sebbene abbia un’alta efficienza complessiva, non è fra i sistemi più comuni adottati in produzione. Come per la saldatura a spot viene utilizzata una corrente controllata ma il calore necessario alla fusione dei materiali si ottiene mediante l’arco elettrico. Il vantaggio di questo sistema è l’efficacia indipendente dalla conduttività del materiale da saldare. Inoltre l’elevata controllabilità consente di ottimizzare le dimensioni del punto di saldatura (specie nelle giunzioni più piccole) riducendo al minimo il calore e i danni termici.

A differenza del TIG e Spot, gli ultrasuoni usano le vibrazioni e non la corrente per fondere i materiali di connessione. I due grandi vantaggi degli ultrasuoni sono dati dalla possibilità di utilizzare materiali di connessione combinati e di non sviluppare un calore diretto nel punto di saldatura il che significa una quasi assenza di surriscaldamento della cella. Tuttavia il costo degli impianti influisce molto sulla diffusione di questo sistema.

Conduttività, resistenza termica e durata del pacco batteria sono influenzati dalla tipologia di materiale usato per collegare le celle. Nickel, rame, acciaio o alluminio possono essere utilizzati a seconda dei requisiti richiesti dal sistema, tuttavia occorre tenere presente che vi sono alcuni contro dovuti alle singole caratteristiche.

Il nickel è uno dei materiali più diffusi per i pacchi batteria, caratterizzato da buona conduttività elettrica resistenza alla corrosione, oltre a essere semplice da saldare e con costi contenuti. Ricordiamo comunque che il nickel non è un materiale ideale laddove siano presenti temperature elevate di funzionamento.

Il rame ha conduttività elettrica superiore al nickel, che lo rende più adatto nelle applicazioni dove il requisito principale è ridurre drasticamente le perdite di energia. Ha inoltre una buona gestione termica ma risulta più complicato da saldare oltre ai (noti) costi. Spesso il rame viene ricoperto con altri materiali allo scopo di combinare più caratteristiche, evitare la tipica ossidazione che avviene rapidamente e rendere più semplici le operazioni di saldatura.

L’acciaio (inox) viene utilizzato nelle applicazioni che necessitano di un’altissima resistenza strutturale come anche nei cosiddetti ambienti gravosi, dove vi è il rischio di corrosione dovuta agli agenti presenti. L’acciaio purtroppo paga il prezzo di una conduttività inferiore rispetto al rame e pertanto è impiegato in misura nettamente inferiore e per lo più in abito industriale, dove i requisiti di durevolezza prevalgono su quelli prestazionali.

L’alluminio, sebbene offra una buona conduttività e un’elevata leggerezza, che lo rende ideale nelle applicazioni dove il peso ridotto è uno dei requisiti principale, risulta assai più complesso da saldare (sono preferibili gli ultrasuoni) a causa del suo comportamento (rapida ossidazione) al crescere della temperatura.

Una buona costruzione dei pacchi batteria avviene solo a seguito di un’attenta selezione dei materiali e dei metodi di saldatura. Temperatura di esercizio ed efficienza energetica sono solitamente i due parametri cardine che impongono una scelta specifica. Occorre poi considerare il prodotto nel suo insieme poiché anche i metodi di saldatura, l’hardware di ogni pacco nonché i contenitori andranno a influire in modo più o meno significativo sui costi totali del pacco e quindi del BESS “chiavi in mano”.

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