Batterie al litio allo stato solido: Simulazione delle prestazioni di un veicolo elettrico

Abstract

Le batterie agli ioni di litio hanno molti vantaggi e applicazioni in campo industriale. I loro punti di forza sono l'elevata tensione di cella, l'elevata densità di energetica (migliore di sempre), lungo ciclo di vita, rispettosità dell'ambiente, effetto memoria quasi assente, ampio intervallo di temperatura di lavoro, tasso di autoscarica molto basso ecc. Hanno anche diverse applicazioni come ad esempio in telefoni cellulari, fotocamere digitali, dispositivi elettronici e accumulo di energia. Negli ultimi anni, la gamma di applicazioni Li-ion è diventata più ampia, estendendosi ai settori aerospaziale, militare e altri settori critici. Infatti, le caratteristiche di affidabilità consentono di impiegare tale tecnologia anche laddove questa è cruciale per la funzionalità dell'intero sistema. L'affidabilità è un vantaggio per le batterie agli ioni di litio, anche se sono stati registrati diversi episodi di guasto della batteria da quando sono state introdotte sul mercato. Un esempio recente è quello dei Samsung Galaxy Note 7 che hanno preso fuoco durante i voli aerei, così che la Federal Aviation Administration ha consigliato fortemente ai passeggeri di non accendere questi dispositivi a bordo dell'aeromobile. Negli ultimi anni, le batterie agli ioni di litio hanno raggiunto un livello di implementazione tale da consentire il loro utilizzo per applicazioni automobilistiche; al giorno d'oggi tutti i produttori di automobili hanno in programma di offrire nelle loro flotte almeno una versione di veicolo elettrico o ibrido che equipaggi una batteria al litio. Ulteriori miglioramenti sono stati fatti sui Sistemi di gestione delle batterie (BMS) che hano un ruolo chiave per quanto riguarda la sicurezza della batteria. Tuttavia, i sistemi la cui affidabilità è una qualità intrinseca stanno suscitando l'interesse di alcune case automobilistiche e produttori di batterie. Le batterie agli ioni di litio allo stato solido (SSBs) sono attualmente la tecnologia più interessante da questo punto di vista. Pertanto, questo progetto di tesi è stato focalizzato sulla ricerca di ciò che il mercato può offrire in relazione a questa nuova tecnologia e sulla valutazione delle prestazioni che può essere in grado di fornire. I limiti delle prestazioni elettriche delle SSBs sono stati rilevati, anche grazie agli strumenti di simulazione come MATLAB e Simulink. Innanzitutto un modello di batteria è stato creato e validato con dati sperimentali forniti da un produttore di batterie. Quindi è stato costruito un modello di veicolo elettrico comprendente la dinamica longitudinale del veicolo e il comando di velocità come input. I limiti della batteria sono stati trovati nella capacità o meno del veicolo di marciare alla velocità richiesta. Ciò che è stato osservato, sia nelle schede tecniche della batteria che durante le simulazioni, è l'incapacità delle batterie allo stato solido di fornire potenze elevate e quindi di seguire la velocità richiesta. In altre parole, hanno dimostrato di non fornire abbastanza potenza rispetto ad una classica batteria agli ioni di litio. Infine, la ricerca nel campo delle batterie al litio tutt'altro che terminata, quindi ci si aspettano ulteriori miglioramenti nei prossimi anni. Attualmente, le batterie agli ioni di litio allo stato solido non hanno dimostrato di essere competitive con quelle agli ioni di litio. Un BMS ben progettato può rendere effettivamente sicuro un sistema instabile come la batteria agli ioni di litio, anche grazie ai sistemi di raffreddamento. In altre parole, la sicurezza della batteria è attualmente considerata un problema gestibile e risolto, dando maggiore priorità alle prestazioni della batteria ed alla densità energetica. Tuttavia, non sarebbe una sorpresa se i laboratori chimici di ricerca attivi nel campo delle batterie venisse trovata una soluzione per rendere le SSBs più potenti e competitive.