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Confronto delle batterie nel sistema di accumulo di energia
L'accumulo di energia tramite batteria è un accumulo di energia chimica. A seconda del tipo di batteria, può essere suddiviso in batterie al piombo, batterie al litio, batterie al nichel-idrogeno, batterie a flusso liquido (batterie al vanadio), batterie sodio-zolfo, batterie piombo-carbone, ecc.

1. Batteria al piombo
Le batterie al piombo includono quelle colloidali e quelle liquide (le cosiddette batterie al piombo ordinarie). Questi due tipi di batterie vengono utilizzati a seconda delle diverse regioni. La batteria colloidale ha un'elevata resistenza al freddo e la sua efficienza energetica è di gran lunga superiore a quella della batteria liquida a temperature inferiori a 15 °C, e le sue prestazioni di isolamento termico sono eccellenti.

La batteria al piombo-acido colloidale rappresenta un miglioramento rispetto alle comuni batterie al piombo-acido con elettrolita liquido. L'elettrolita colloidale viene utilizzato in sostituzione dell'elettrolita ad acido solforico, offrendo migliori prestazioni rispetto alle batterie tradizionali in termini di sicurezza, capacità di accumulo, prestazioni di scarica e durata. La batteria al piombo-acido colloidale adotta un elettrolita in gel, privo di liquido libero al suo interno. A parità di volume, l'elettrolita presenta un'elevata capacità, un'elevata capacità termica e una forte capacità di dissipazione del calore, evitando il fenomeno di runaway termico tipico delle batterie tradizionali; la corrosione della piastra dell'elettrodo è debole a causa della bassa concentrazione di elettrolita; la concentrazione è uniforme e non si verifica stratificazione dell'elettrolita.

Una comune batteria al piombo-acido è un tipo di batteria il cui elettrodo è costituito principalmente da piombo e dal suo ossido, mentre l'elettrolita è una soluzione di acido solforico. Durante la scarica della batteria al piombo-acido, il componente principale dell'elettrodo positivo è il biossido di piombo, mentre quello dell'elettrodo negativo è il piombo; durante la carica, il componente principale degli elettrodi positivo e negativo è il solfato di piombo. La tensione nominale di una batteria al piombo-acido a cella singola è di 2,0 V, che può essere scaricata a 1,5 V e caricata a 2,4 V; in pratica, sei batterie al piombo-acido a cella singola vengono spesso utilizzate in serie per formare una batteria al piombo-acido da 12 V nominale, così come da 24 V, 36 V, 48 V, ecc.

I suoi vantaggi includono principalmente: tenuta sicura, sistema di rilascio dell'aria, manutenzione semplice, lunga durata, qualità stabile, elevata affidabilità e assenza di manutenzione; lo svantaggio è che l'inquinamento da piombo è elevato e la densità energetica è bassa (cioè, troppo pesante).

2. Batteria al litio
La "batteria al litio" è un tipo di batteria con litio metallico o lega di litio come materiale catodico e una soluzione elettrolitica non acquosa. Si divide in due categorie: batterie al litio metallico e batterie agli ioni di litio.

Le batterie al litio metallico utilizzano generalmente biossido di manganese come materiale catodico, litio metallico o una sua lega metallica come materiale catodico e una soluzione elettrolitica non acquosa. Le batterie agli ioni di litio utilizzano generalmente ossidi metallici di leghe di litio come materiali catodici, grafite come materiali catodici e elettroliti non acquosi. Le batterie agli ioni di litio non contengono litio metallico e possono essere ricaricate. La batteria al litio che utilizziamo per l'accumulo di energia è una batteria agli ioni di litio, denominata "batteria al litio".

Le batterie al litio utilizzate nei sistemi di accumulo di energia includono principalmente: batterie al litio-ferro-fosfato, batterie al litio ternarie e batterie al litio-manganato. La batteria singola offre alta tensione, un ampio intervallo di temperature di esercizio, elevata energia specifica ed efficienza e un basso tasso di autoscarica. La sicurezza e la durata possono essere migliorate utilizzando circuiti di protezione ed equalizzazione. Pertanto, considerando i vantaggi e gli svantaggi delle diverse batterie, le batterie al litio sono diventate la prima scelta per le centrali elettriche di accumulo di energia grazie alla loro filiera industriale relativamente matura, alla sicurezza, all'affidabilità e al rispetto dell'ambiente.

I suoi principali vantaggi sono: lunga durata, elevata densità di energia di accumulo, leggerezza e forte adattabilità; gli svantaggi sono scarsa sicurezza, facile esplosione, costi elevati e condizioni di utilizzo limitate.

fosfato di ferro e litio
La batteria al litio-ferro-fosfato si riferisce alla batteria agli ioni di litio che utilizza il litio-ferro-fosfato come materiale catodico. I materiali catodici delle batterie agli ioni di litio includono principalmente cobalato di litio, manganato di litio, ossido di litio e nichel, materiali ternari, litio-ferro-fosfato, ecc. Il cobalato di litio è il materiale catodico utilizzato dalla maggior parte delle batterie agli ioni di litio.

Il litio ferro fosfato come materiale per batterie al litio è apparso solo negli ultimi anni. Nel 2005 è stata sviluppata in Cina una batteria al litio ferro fosfato ad alta capacità. Le sue prestazioni di sicurezza e la sua durata sono incomparabili con altri materiali. La durata di una carica e scarica 1C raggiunge 2000 cicli. La tensione di sovraccarico di una singola batteria è di 30 V, che non brucia e non esplode in caso di foratura. Le batterie agli ioni di litio ad alta capacità realizzate con materiali catodici al litio ferro fosfato sono più facili da utilizzare in serie per soddisfare le esigenze di carica e scarica frequenti dei veicoli elettrici.

Il litio ferro fosfato è una materia prima atossica, non inquinante, sicura, ampiamente reperibile, economica, di lunga durata e con altri vantaggi. È un materiale catodico ideale per le batterie agli ioni di litio di nuova generazione. Le batterie al litio ferro fosfato presentano anche degli svantaggi. Ad esempio, la densità di pressatura del materiale catodico al litio ferro fosfato è ridotta e il volume di una batteria al litio ferro fosfato di pari capacità è maggiore rispetto a quello delle batterie agli ioni di litio come il cobalato di litio, quindi non presenta alcun vantaggio nelle microbatterie.

A causa delle caratteristiche intrinseche del litio ferro fosfato, le sue prestazioni a bassa temperatura sono inferiori ad altri materiali catodici come il manganato di litio. In generale, per una singola cella (si noti che si tratta di una singola cella e non di un pacco batteria), le prestazioni a bassa temperatura misurate del pacco batteria possono essere leggermente superiori.

Questo è correlato alle condizioni di dissipazione del calore), il suo tasso di mantenimento della capacità è di circa il 60-70% a 0 °C, il 40-55% a -10 °C e il 20-40% a -20 °C. Tali prestazioni a bassa temperatura ovviamente non possono soddisfare i requisiti di utilizzo dell'alimentatore. Attualmente, alcuni produttori hanno migliorato le prestazioni a bassa temperatura del litio ferro fosfato migliorando il sistema elettrolitico, la formula dell'elettrodo positivo, le prestazioni del materiale e la progettazione della struttura della cella.

Batteria al litio ternaria
La batteria al litio polimero ternario si riferisce alla batteria al litio il cui materiale catodico è costituito da manganato di litio-nichel-cobalto (Li(NiCoMn)O₂). Il materiale catodico composito ternario è costituito da sali di nichel, sali di cobalto e sali di manganese come materie prime. La proporzione di nichel, cobalto e manganese nella batteria al litio polimero ternario può essere regolata in base alle esigenze effettive. La batteria con materiale ternario come catodo offre un'elevata sicurezza rispetto alla batteria al litio-cobalto, ma la sua tensione è troppo bassa.

I suoi principali vantaggi sono: buone prestazioni di ciclo; lo svantaggio è che l'uso è limitato. Tuttavia, a causa dell'inasprimento delle politiche nazionali sulle batterie al litio ternarie, lo sviluppo di queste batterie tende a rallentare.

Batteria al manganato di litio
Le batterie al manganato di litio sono uno dei materiali catodici agli ioni di litio più promettenti. Rispetto ai materiali catodici tradizionali come il cobalato di litio, il manganato di litio offre i vantaggi di una vasta gamma di risorse, basso costo, assenza di inquinamento, buona sicurezza, buone prestazioni di moltiplicazione, ecc. È un materiale catodico ideale per le batterie di potenza. Tuttavia, le sue scarse prestazioni cicliche e la stabilità elettrochimica ne limitano notevolmente l'industrializzazione. Il manganato di litio comprende principalmente manganato di litio a spinello e manganato di litio stratificato. Il manganato di litio a spinello ha una struttura stabile ed è facile da realizzare per la produzione industriale. I prodotti sul mercato odierno presentano tutti questa struttura. Il manganato di litio a spinello appartiene al sistema cristallino cubico, gruppo spaziale Fd3m, e la capacità specifica teorica è di 148 mAh/g. Grazie alla struttura a tunnel tridimensionale, gli ioni di litio possono essere staccati in modo reversibile dal reticolo di spinello senza causare il collasso della struttura, garantendo eccellenti prestazioni di ingrandimento e stabilità.

3. Batteria NiMH
La batteria NiMH è un tipo di batteria dalle buone prestazioni. Il principio attivo positivo della batteria al nichel-idrogeno è Ni(OH)₂ (chiamato elettrodo NiO), il principio attivo negativo è l'idruro metallico, noto anche come lega di accumulo di idrogeno (chiamato elettrodo di accumulo di idrogeno), e l'elettrolita è una soluzione di idrossido di potassio 6 mol/L.

Le batterie al nichel-metallo idruro si dividono in batterie al nichel-metallo idruro ad alta tensione e batterie al nichel-metallo idruro a bassa tensione.

La batteria al nichel-metallo idruro a bassa tensione ha le seguenti caratteristiche: (1) La tensione della batteria è 1,2~1,3 V, che è equivalente a una batteria al nichel-cadmio; (2) Elevata densità di energia, più di 1,5 volte quella della batteria al nichel-cadmio; (3) Carica e scarica rapide, buone prestazioni a bassa temperatura; (4) Sigillabile, forte resistenza a sovraccarico e scarica; (5) Nessuna generazione di cristalli dendritici, che può prevenire cortocircuiti nella batteria; (6) Sicura e affidabile, nessun inquinamento per l'ambiente, nessun effetto memoria, ecc.

La batteria al nichel-idrogeno ad alta tensione presenta le seguenti caratteristiche: (1) Elevata affidabilità. Offre un'ottima protezione da sovrascarica e sovraccarica, può sopportare un'elevata velocità di carica e scarica e non presenta formazione di dendriti. Presenta buone proprietà specifiche. La sua capacità di massa specifica è di 60 A · h/kg, ovvero 5 volte superiore a quella delle batterie al nichel-cadmio. (2) Lunga durata del ciclo, fino a migliaia di cicli. (3) Completamente sigillata, con minore manutenzione. (4) Le prestazioni a bassa temperatura sono eccellenti e la capacità non varia significativamente a -10 °C.

I principali vantaggi delle batterie NiMH sono: elevata densità energetica, velocità di carica e scarica elevate, leggerezza, lunga durata, nessun inquinamento ambientale; gli svantaggi sono un leggero effetto memoria, maggiori problemi di gestione e facile fusione del separatore della batteria singola.

4. Cella di flusso
La batteria a flusso liquido è un nuovo tipo di batteria. Si tratta di una batteria ad alte prestazioni che utilizza elettrolita positivo e negativo per separare e far circolare separatamente. Presenta le seguenti caratteristiche: elevata capacità, ampio campo di applicazione (ambiente) e lunga durata. Si tratta di un prodotto energetico nuovo al momento.

La batteria a flusso liquido è generalmente utilizzata nel sistema di una centrale elettrica con accumulo di energia, che è composta da un'unità pila, una soluzione elettrolitica e un'unità di stoccaggio e fornitura della soluzione elettrolitica, un'unità di controllo e gestione, ecc. Il nucleo è composto da una pila (la pila è composta da decine di celle per la reazione di ossidoriduzione) e da una singola cella per la carica e la scarica in serie secondo requisiti specifici, e la sua struttura è simile a quella di una pila di celle a combustibile.

La batteria a flusso al vanadio è un nuovo tipo di accumulo di energia. Può essere utilizzata non solo come dispositivo di accumulo di energia di supporto per i processi di generazione di energia solare ed eolica, ma anche per la riduzione dei picchi di carico della rete elettrica, migliorandone la stabilità e garantendone la sicurezza. I suoi principali vantaggi sono: layout flessibile, lunga durata, tempi di risposta rapidi e assenza di emissioni nocive; lo svantaggio è che la densità energetica varia notevolmente.

5. Batteria sodio-zolfo
La batteria sodio-zolfo è composta da polo positivo, polo negativo, elettrolita, diaframma e involucro. A differenza delle normali batterie secondarie (batterie al piombo, batterie al nichel-cadmio, ecc.), la batteria sodio-zolfo è composta da elettrodo fuso ed elettrolita solido. Il principio attivo del polo negativo è sodio metallico fuso, mentre quello del polo positivo è zolfo liquido e polisolfuro di sodio fuso. Batteria secondaria con sodio metallico come elettrodo negativo, zolfo come elettrodo positivo e tubo ceramico come separatore dell'elettrolita. A un certo livello di funzionamento, gli ioni sodio possono reagire reversibilmente con lo zolfo attraverso la membrana elettrolitica per formare un sistema di rilascio e accumulo di energia.

Come nuovo tipo di fonte di energia chimica, questo tipo di batteria ha subito un notevole sviluppo sin dalla sua nascita. Le batterie sodio-zolfo sono di piccole dimensioni, di grande capacità, di lunga durata e ad alta efficienza. Sono ampiamente utilizzate per l'accumulo di energia elettrica, come il peak shaving e il valley filling, l'alimentazione di emergenza e la generazione di energia eolica.

I suoi principali vantaggi sono i seguenti: 1) Ha un'energia specifica più elevata (ovvero, l'energia elettrica effettiva per unità di massa o volume della batteria). La sua energia specifica teorica è di 760 Wh/kg, che in realtà ha superato i 150 Wh/kg, 3-4 volte quella delle batterie al piombo. 2) Allo stesso tempo, può scaricarsi con corrente elevata e potenza elevata. La sua densità di corrente di scarica può generalmente raggiungere 200-300 mA/cm² e può rilasciare 3 volte la sua energia intrinseca in un istante; 3) Elevata efficienza di carica e scarica.

Anche la batteria sodio-zolfo presenta delle carenze. La sua temperatura di esercizio è di 300-350 °C, quindi la batteria deve essere riscaldata e mantenuta calda durante il funzionamento. Tuttavia, questo problema può essere risolto efficacemente utilizzando la tecnologia di isolamento termico sottovuoto ad alte prestazioni.

6. Batteria al piombo-carbone
La batteria al piombo-carbone è un tipo di batteria al piombo-acido capacitiva, una tecnologia evoluta rispetto alle tradizionali batterie al piombo-acido. Può migliorare significativamente la durata delle batterie al piombo-acido aggiungendo carbone attivo al polo negativo della batteria.

La batteria al piombo-carbone è un nuovo tipo di superbatteria che combina la batteria al piombo-acido e il supercondensatore: non solo sfrutta i vantaggi della carica istantanea ad alta capacità del supercondensatore, ma sfrutta anche il vantaggio energetico specifico della batteria al piombo-acido e offre ottime prestazioni di carica e scarica: può essere caricata completamente in 90 minuti (se la batteria al piombo-acido viene caricata e scaricata in questo modo, la sua durata è inferiore a 30 volte). Inoltre, grazie all'aggiunta di carbonio (grafene), si previene il fenomeno della solfatazione dell'elettrodo negativo, il che migliora un fattore di guasto della batteria in passato e ne prolunga la durata.

La batteria al piombo-carbone è una combinazione di un supercondensatore asimmetrico e di una batteria al piombo-acido con collegamento interno in parallelo. Come nuovo tipo di superbatteria, la batteria al piombo-carbone combina le tecnologie delle batterie al piombo-acido e dei supercondensatori. Si tratta di una batteria di accumulo di energia a doppia funzione, con caratteristiche sia capacitive che di batteria. Pertanto, non solo sfrutta appieno i vantaggi della carica istantanea di potenza dei supercondensatori con elevata capacità, ma sfrutta anche appieno i vantaggi energetici delle batterie al piombo-acido, che possono essere completamente caricate in un'ora. Offre buone prestazioni di carica e scarica. Grazie all'utilizzo della tecnologia al piombo-carbone, le prestazioni della batteria al piombo-carbone sono di gran lunga superiori a quelle delle tradizionali batterie al piombo-acido, e possono essere utilizzate in veicoli a nuova energia, come veicoli elettrici ibridi, biciclette elettriche e altri settori; può anche essere utilizzata nel campo dei nuovi sistemi di accumulo di energia, come la generazione di energia eolica e l'accumulo di energia.