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Energia specifica vs Potenza specifica di una batteria - diagrammi di Ragone

Conoscere quanta energia e quanta potenza ottengo, per ogni kg di batteria, è un parametro fondamentale per distinguere le batterie tra loro e per scegliere la giusta batteria per ogni applicazione. Vediamo di capire bene i concetti di Energia e Potenza specifiche.

Sappiamo che quando utilizziamo una batteria, questa inizia a scaricarsi :-) . Quanto velocemente si scarica, dipende dal carico che applichiamo alla batteria e quindi dall'intensità della corrente di scarica, ovvero dalla potenza assorbita dall'utilizzatore.

Energia pila D duracell industrial





Più alta è la C-Rate, minori sono le performance della cella o batteria. Ebbene, di quanto? Quanto influisce la corrente di scarica sulle prestazioni effettive della batteria?







Consideriamo un semplice esempio,qualcosa di familiare come una pila formato D: la torcia!

Energia pila D duracell industrial

Queste pile sono famose per avere una incredibile capacità. Le migliori marche spesso reclamizzano capacità tra i 14000mAh ed i 20000mAh. Anche ben sapendo che quello che conta è l'energia prodotta e non la capacità, supponendo di avere una torcia D da 18000mAh ad 1.5V, si tratta pur sempre di 27Wh di energia: 18Ah x 1.5V = 27Wh. Un numero di tutto rispetto, se pensiamo che la batteria del nostro cellulare, una 3.7V da 2000mAh, fornisce soltanto 7-8Wh e non è tanto più piccola. Come è possibile? E' davvero così?

A parte il fatto di confrontare una batteria primaria (alcalina non ricaricabile) ad una secondaria (ioni litio ricaricabile), è tuttavia un fatto curioso.

 

Energia pila D duracell industrial

Guardando le specifiche di una cella D alcalina, per esempio, notiamo che:

la capacità in mAh diminuisce drasticamente quando aumenta la corrente assorbita. Passando dai 18000mAh, quando praticamente non assorbo corrente....ai 2500mAh di quando spillo 2A dalla batteria.

Quindi, se la utilizzo per applicazioni che assorbono un bel pò di corrente, diciamo 2A, mi fornisce solo 1.5V x 2.5Ah = 3.75Wh , ovvero la metà dell'energia fornita dalla batteria di un cellulare. Adesso i conti tornano. La pila alcalina è eccellente (a parte il costo elevato) per applicazioni a basso assorbimento di corrente,come radio, giocattoli, piccole luci etc..

 

Fornisce una grande capacità, ma se mi serve assorbire più corrente si rivela del tutto inadeguata, in quanto le prestazioni decadono esponenzialmente.Se cercassi di assorbire più di 2A, distruggerei la pila in pochissimo tempo.

E' evidente che la pila alcalina ha una grande energia in Wh ma può fornire una potenza molto bassa. Al contrario, esistono celle in grado di fornire una potenza molto elevata ma che hanno una capacità piuttosto scarsa.

 

Questo si quantifica distinguendo l'energia specifica di una cella, dalla sua potenza specifica.....

Energia e Potenza specifiche

Abbiamo visto che l'energia nel mondo delle batterie è normalmente misurata in wattora [Wh], mentre si usa il watt [W] per la potenza. In qualsiasi settore della tecnica è comune utilizzare grandezze specifiche, ovvero riferite alla massa od al volume.

Per esempio sappiamo che l'energia di una batteria é il parametro più importante per quantificarla. A questo punto è possibile pensare ad un altro parametro, utile per confrontare diverse batterie tra loro, magari batterie con diversa teconologia o diversa chimica. Per esempio posso aver bisogno di una batteria potente e leggera oppure una batteria di dimensioni contenute. Viene quindi spontaneo definire il rapporto tra energia e peso di una batteria oppure tra energia e volume:

  • Wh/kg
    Energia specifica, ovvero riferita alla massa. Spesso sulle specifiche è indicata come gravimetric energy density
  • Wh/m3
    Densità energetica, ovvero energia riferita al volume. Spesso sulle specifiche è indicata come volumetric energy density

    Per il volume si può usare qualsiasi grandezza: m3, cm3, litri etc..Per il peso (kg) dovrei includere il peso degli elettrodi e di tutti gli altri componenti della batteria.

Una batteria con una maggiore energia specifica sarà più leggera di una batteria che ha la stessa capacità ma minore energia specifica. Nei sistemi portatili la densità energetica è un parametro critico mentre non lo è in sistemi stazionari come per esempio il fotovoltaico (PV). Sebbene bisognerebbe considerare, quando i sistemi sono grossi, anche il costo di trasporto (relativo a peso e volume) delle batterie fino al punto di utilizzo.

Allo stesso modo voglio riferire a massa e volume anche la potenza:

  • W/kg
    Potenza specifica: la massima potenza disponibile per unità di massa. E' caratteristica della chimica e del packaging della batteria. Determina il peso della batteria richiesto per raggiungere un dato target di performance.Viene spesso indicata come specific power o gravimetric power density.
  • W/m3
    Densità di potenza: chiamata impropriamente "densità", è la massima potenza disponibile per unità di volume. Determina le dimensioni della batteria richieste per raggiungere un dato target di performance.

La Potenza specifica è collegata alla sua densità energetica ed all'abilità della batteria di scaricarsi rapidamente. E' una grandezza importante per quelle batterie che devono fornire molta potenza, come le batterie per elettroveicoli o le batterie per utensili elettrici: trapani, avvitatori, smerigliatrici...etc...

Esempio

Una analogia idraulica può essere utile a spiegare meglio questi concetti ed illustrare la differenza tra le due grandezze specifiche:

Energia specifica vs potenza specifica

L'energia è la quantità di acqua contenuta nella bottiglia (sono i joule che una batteria contiene), la potenza è la portata di acqua, ovvero i kg di acqua che ogni secondo riescono ad uscire dalla bottiglia (joule al secondo che la batteria riesce a fornire). Mentre l'energia è una misura della quantità di lavoro elettrico che la batteria può fare, la potenza denota la velocità alla quale questo lavoro può essere fatto. La potenza specifica ci dice quanto velocemente possiamo accedere all'energia a disposizione.

Nella pratica, quando scarichiamo una batteria a corrente costante, si può valutare l'energia specifica della batteria [Wh] e poi dividerla per il tempo di scarica per ottenere la potenza specifica. Per tempo di scarica si intende il cut-off time, ovvero il tempo necessario per raggiungere il voltaggio di cut-off (fine scarica).

La pila dell'esempio iniziale ha una alta energia specifica ma una bassa potenza specifica. Un supercondesatore, al contrario, ha altissima potenza specifa ma bassa energia specifica.

Normalmente il mercato produce due grandi tipi di celle per batterie ricaricabili: le celle di potenza e le celle di energia. Le batterie per elettroutensili hanno una potenza specifica alta ma una energia bassa (capacità bassa). Altre batterie, come quelle per dispositivi elettronici, puntano ad avere la massima capacità (ed energia) ma hanno bassa potenza specifica.

Esistono dei diagrammi molto comodi per vedere rapidamente il rapporto tra energia e potenza specifiche di una cella.

Diagrammi di Ragone

Un grafico nel quale riportiamo la potenza specifica in funzione dell'energia specifica è chiamato diagramma di Ragone:

RAGONE: Energia specifica vs potenza specifica

Vediamone subito uno molto polopare:

RAGONE: Energia specifica vs potenza specifica

Qualcosa la si può già capire. Per esempio le batterie piombo-acido, come quella della macchina, hanno una energia specifica molto bassa ma una buona potenza specifica: devono fornire la corrente necessaria all'accensione, molto alta....ma non sarebbero in grado di alimentare il veicolo per la propulsione (infatti nel settore EV si usano batterie ioni di litio). I supercondesatori hanno potenza specifica altissima ma energia specifica (capacità per kg) molto bassa. Le batterie ioni litio coprono un range vastissimo, comportandosi ottimamente sia come profilo energetico che come profilo di potenza.

RAGONE: potenza specifica vs energia specifica

Quindi nei diagrammi di Ragone si individuano subito le regioni ad alta e bassa energia e le regioni ad alta o bassa potenza specifica. Notiamo ancora come la famiglia delle batterie ioni-litio, spazi da regioni ad alta potenza ma bassa energia...a regioni con alta energia e bassa potenza, passando per regioni intermedie.

 

RAGONE: potenza specifica vs energia specifica

 

Quasi sempre l'asse che rappresenta la potenza specifica si basa su una scala logaritmica. Questo per visualizzare un range più ampio di potenze. In questo caso abbiamo un diagramma semi logaritmico, con l'asse dell'energia lineare. Notare come a piccole variazioni di energia corrispondano grandi variazioni di potenza







Ecco come si presenta un diagramma semilogaritmico, in questo caso per alcune famiglie di batterie.

RAGONE: potenza specifica vs energia specifica

RAGONE: potenza specifica vs energia specifica




A volte questi diagrammi hanno gli assi invertiti, per cui bisogna prestare attenzione. Quasi sempre, come nel grafico a sinistra, entrambi gli assi sono con scala logaritmica: così è possibile diagrammare batterie estremamente diverse tra loro, con ampissimi range di energia e potenza specifiche.

 

RAGONE: potenza specifica vs energia specifica






L'asse dell'energia specifica (orizzontale in questo caso) descrive quanta energia è disponibile, mentre l'asse della potenza specifca mostra quanto velocemente questa energia può essere fornita (potenza per unità di massa).






Man a mano che richiedo più potenza, passando da applicazioni che richiedono poca corrente ad applicazioni che richiedono molta corrente, aumenta la densità di corrente ed aumentano le perdite del sistema ed il sistema fornisce meno energia (le perdite sono a spesa energetica). Quando invece mi serve solo energia, con basse correnti, sono vicino alle condizioni di equilibrio della batteria ed ho perdite minime. Le perdite sono il risultato di vari tipi di perdite che le batterie possono avere.

RAGONE: potenza specifica vs energia specifica

Aumentare l'energia della batteria è possibile solo aumentando il voltaggio o la capacità specifica. Aumentare la potenza della batteria richiede invece di minimizzare le cadute di tensione nella cella con l'aumentare della corrente. Questo si ottiene diminuendo la resistenza interna ed agendo su cinetica e trasferimento di materia. Per esempio con degli elettrodi porosi è possibile aumentare l'energia e/o la potenza della batteria.

Il tempo

Ricordando le definizioni di energia e potenza specifiche, esprimibili rispettivamente in [Wh/kg] ed in [W/kg]:

rapporto energia potenza specifiche

si vede che il rapporto tra le due grandezze è un tempo. Il tempo è quindi riportato sul grafico con una serie di linee trasversali. Questo tempo è il tempo di scarica (o di carica). Per esempio una cella a combustibile richiede circa 10 ore di tempo di scarica. Una batteria di un cellulare (Li-ion) sarà invece scaricata in 2 ore. Il grafico sotto ci dice quanta energia e potenza si possono ottenere per ognuna di queste applicazioni:

RAGONE: potenza specifica vs energia specifica

I diagrammi di Ragone forniscono un ottimo mezzo di comparazione tra vari sistemi di energy storage, non necessariamente batterie. E permettono l'identificazione del sistema ottimale. Per esempio dal grafico sopra vedo che per applicazioni nelle quali il tempo di scarica più grande di circa 5 secondi, le batterie ioni-litio forniscono le migliori performance. Per tempi di scarica più brevi invece i condensatori sono più appropriati. Considerazioni analoghe, con altri diagrammi, come per esempio questo:

rapporto energia potenza specifiche

Un punto sul diagramma rappresenta la quantità di tempo nella quale l'energia (per unità di massa)sull'asse Y può essere trasferita alla potenza (per unità di massa) corrispondente sull'asse X e questo tempo è dato come rapporto tra densità di energia e di potenza.

Conseguentemente le linee dei tempi (isotemporali) hanno pendenza unitaria: per esempio in 1h posso trasferire 10Wh/kg alla potenza di 10W/kg oppure 100Wh/kg alla potenza di 100W/kg

rapporto energia potenza specifiche

Per alimentare una lampadina mi può servire poca potenza (W) ma questa potenza deve essere fornita in modo abbastanza stazionario per molto tempo: voglio che una torcia sia accesa per ore. Al contrario, uno switch elettronico richiede pochissima energia per essere attivato...ma questa energia deve essere fornita così velocemente da completare la transazione in pochi microsecondi. Questi due tipi di carico, ormai è chiaro, sono agli angoli opposti del grafico di Ragone.

Diagrammi di Ragone potenza-energia (non specifiche)

Possiamo usare i diagramma di Ragone per vedere rapidapente differenze tra batterie appartenenti allo stesso sistema chimico od alla stessa famiglia o formato. In tal caso è inutile usare grandezze specifiche e basta riportare sugli assi direttamente Energia e Potenza. Se dobbiamo confrontare delle pile AA o diverse batterie dello stesso formato, il volume ed i pesi sono noti e sono molto simili.

rapporto energia potenza specifiche

 

Ecco un esempio per delle comuni pile stilo (AA). Ricaricabili NiMH, litio AA e normali alcaline AA. La performance di queste pile varia in accordo alla posizione sulle diverse linee nel diagramma di Ragone.Le ricaricabili Ni-MH offrono la massima potenza e lavorano bene con carichi importanti ma hanno anche energia specifica più bassa. Le pile al litio hanno la massima energia specifica e soddisfano condizioni di carico moderate. Le pile alcaline, infine offrono una buona soluzione solo per basse correnti di alimentazione.

 

Esempio pratico di utilizzo del diagramma di Ragone

In questo diagramma vediamo le differenze tra alcune celle ioni-litio in formato 18650 (le più comuni). Anche in questo caso è inutile riferirsi alla massa, in quanto le celle hanno tutte lo stesso formato identico e pesi molto simili:

rapporto energia potenza specifiche

Esempio 1: scelta della potenza necessaria

 

rapporto energia potenza specifiche

Supponiamo di avere una torcia elettrica alimentata da due 18650, che ha una lampadina da 20W e di voler trovare la giusta cella 18650 tra quelle del grafico. In questa configurazione, non importa se le celle sono in serie o parallelo, avremo che ogni cella deve fornire 10W. Andando sul diagramma di Ragone, individuiamo la linea dei 10W (sulle ordinate) e la seguiamo. Vediamo che la cella A123 (linea rossa), fornisce 10W per 20 minuti. Proseguendo sulla linea dei 10W costanti, vediamo che la cella Sony (linea verde), fornisce 10W per circa 30 minuti. La cella sanyo (gialla) fornisce i 10W per 33min ed infine la cella sanyo (blu), fornisce 10W per quasi 1h.

Esempio 2: scelta del tempo di scarica.

rapporto energia potenza specifiche



Consideriamo la stessa torcia elettrica alimentata da due 18650 con una lampadina da 20W: 10W per ogni cella. Supponiamo però di aver bisogno della torcia per soli 20 minuti. Seguiamo allora la linea dei 20minuti. Incontriamo la prima cella: la cella rossa può fornire 10W per 20 minuti. Poi incontriamo la cella verde fornisce circa 15W, per lo stesso tempo di scarica. La cella gialla fornisce 18W circa e infine quella blu circa 25W!





Ricordiamo che il diagramma è logaritmico, quindi piccole differenze sul grafico, tra le varie curve, corrispondono a grandi differenze di performance.

E' importante notare che quando sono nella zona di plateau della curva, piccole differenze di potenza generano enormi differenze di energia e quindi di tempo di scarica (autonomia).

Come spesso ripetiamo, la capacità in una batteria non è tutto! Esistono altri parametri che fanno di una batteria una buona batteria, primo tra tutti la giusta scelta delle sue caratteristiche di energia e potenza per il campo di applicazione che andrà a servire.

Letto 8219 volte Ultima modifica il Domenica, 31 Luglio 2016 19:52
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