ANN ARBOR-Le batterie agli ioni di litio sono ovunque in questi giorni, utilizzate in tutto, dai telefoni cellulari e computer portatili a utensili elettrici senza fili e veicoli elettrici.
E anche se sono la tecnologia più ampiamente applicata per lo stoccaggio di energia mobile, c’è molta confusione tra gli utenti circa i modi migliori per prolungare la vita delle batterie agli ioni di litio.
Per aiutare a chiarire, i ricercatori dell’Università del Michigan hanno setacciato decine di articoli accademici e manuali utente dei produttori, così come le informazioni sui siti web di supporto ai clienti, per sviluppare un elenco di nove migliori pratiche per l’estensione della vita della batteria agli ioni di litio.
Nine keys to extending lithium-ion battery lifetime. Image credit: Center for Sustainable Systems at U-M School for Environment and Sustainability.
“Riducendo al minimo l’esposizione alle condizioni che accelerano la degradazione, le batterie possono durare di più. E questo ha un impatto ambientale positivo, dato che la produzione di batterie è una fonte di emissioni di gas serra e di molti altri inquinanti”, ha detto l’autore senior dello studio Greg Keoleian, direttore del Center for Sustainable Systems della U-M School for Environment and Sustainability.
“Inoltre, ci sono significativi incentivi finanziari per gli utenti ad evitare condizioni avverse, dato che il costo delle batterie agli ioni di litio può variare dal 5% a oltre il 50% del costo di un prodotto.”
I risultati del team U-M sono stati pubblicati il 15 febbraio nel Journal of Energy Storage.
Molte delle pratiche raccomandate sono legate alle tre principali variabili che influenzano la salute della batteria: temperatura, stato di carica e corrente.
Queste sono alcune linee guida generali dei ricercatori U-M per massimizzare la durata delle batterie agli ioni di litio, insieme ad alcune raccomandazioni specifiche dei produttori:
- Evitare temperature estreme, sia alte che basse, quando si usano o si conservano batterie agli ioni di litio. Le temperature elevate possono accelerare il degrado di quasi tutti i componenti della batteria e possono portare a significativi rischi per la sicurezza, compresi incendi o esplosioni. Se un computer portatile o un cellulare è notevolmente caldo mentre è in carica, scollegalo. Ridurre al minimo l’esposizione alle basse temperature, soprattutto durante la ricarica.
Per i veicoli elettrici, quasi tutti i produttori includono avvertenze sulle alte temperature nei loro manuali di istruzioni. Alcuni di loro consigliano di parcheggiare all’ombra e di tenere il veicolo collegato durante la stagione calda, permettendo così al sistema di raffreddamento della batteria di funzionare come necessario. Collegare il veicolo è raccomandato anche quando fa freddo, in modo che il sistema di riscaldamento della batteria possa funzionare con l’energia di rete.
- Minimizzare la quantità di tempo che la batteria passa al 100% o allo 0% di carica. Entrambi gli “stati di carica” estremamente alti e bassi stressano le batterie. Considerare l’utilizzo di una carica parziale che ripristini la batteria all’80% SoC, invece che al 100%. Se questo non è possibile, allora scollegate il dispositivo non appena raggiunge il 100%.
Samsung e LG suggeriscono che i loro telefoni dovrebbero essere ricaricati quando raggiungono uno stato di carica del 20%. Nokia e Sony menzionano potenziali danni ai loro telefoni se il dispositivo viene lasciato in carica dopo aver raggiunto il 100%.
Tips for extending lithium-ion battery lifetime in laptops. Image credit: Center for Sustainable Systems at U-M School for Environment and Sustainability.
Nella maggior parte dei laptop, un sistema interno di gestione della batteria interrompe la carica una volta che il dispositivo ha raggiunto il 100% dello stato di carica, e non riprende la carica finché il laptop non ha raggiunto il 95% di SoC. Anche così, molti produttori di laptop mettono in guardia dal lasciare il computer collegato dopo che ha completato la carica.
- Utilizzare “caricatori veloci” è conveniente, ma degraderà una batteria agli ioni di litio più rapidamente della carica standard. Anche scaricare una batteria troppo velocemente porta al degrado della batteria, attraverso molti degli stessi meccanismi. Per i telefoni cellulari e i computer portatili, abbassare la luminosità dello schermo, disattivare i servizi di localizzazione e abbandonare le applicazioni ad alto consumo può aiutare a rallentare il tasso di scaricamento.
- Alcuni produttori di utensili elettrici senza fili consigliano agli utenti di non conservare le batterie nel caricatore, mentre altri mettono in guardia contro l’esaurimento completo della batteria. Alcuni raccomandano una temperatura ambiente minima di 32 F quando si carica la batteria, e un massimo di 104 gradi.
- Evitare l’uso o lo stoccaggio di batterie agli ioni di litio in ambienti ad alta umidità, ed evitare danni meccanici come la foratura.
Una cella della batteria è costituita da un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo) e un elettrolita che reagisce con ciascun elettrodo. Le batterie agli ioni di litio si degradano inevitabilmente con il tempo e l’uso. Quasi ogni componente è interessato, compresi l’anodo, il catodo, l’elettrolita, il separatore e i collettori di corrente.
Ci sono due forme principali di degrado della batteria: capacity fade e power fade. La dissolvenza della capacità è una diminuzione della quantità di energia che una batteria può immagazzinare, e la dissolvenza della potenza è una diminuzione della quantità di potenza che fornisce.
Il prolungamento della vita della batteria diminuisce i costi e gli oneri ambientali associati alla produzione di nuove batterie – incluso il consumo di materiale, l’impatto delle miniere e le emissioni di gas serra – così come lo smaltimento delle batterie usate.
“Poiché l’elettronica mobile e le industrie EV continuano a crescere, anche piccoli miglioramenti nell’estensione della vita avranno significativi benefici ambientali”, hanno scritto gli autori del Journal of Energy Storage paper.
Oltre alla letteratura accademica che hanno esaminato, i ricercatori hanno esaminato le informazioni pubblicamente disponibili dai produttori, alla ricerca di istruzioni, indicazioni, avvertimenti o consigli per quanto riguarda l’uso e la manutenzione delle batterie agli ioni di litio.
Queste aziende includevano 10 produttori di cellulari (Apple, Google, HTC, Huawei, LG, Motorola, Nokia, Samsung, Sony e ZTE), 10 produttori di laptop (Acer, Apple, ASUS, Dell, HP, Lenovo, LG, Microsoft, Samsung e Toshiba), quattro produttori di utensili elettrici (Bosch, DeWalt, Makita e Milwaukee Tool) e 10 produttori di veicoli elettrici (BMW, Chevrolet, Ford, Fiat, Honda, Hyundai, Kia, Mercedes-Benz, Nissan e Tesla).
Autori del Journal of Energy Storage paper, oltre a Keoleian, sono Maxwell Woody, Maryam Arbabzadeh e Geoffrey Lewis dell’U-M Center for Sustainable Systems e Anna Stefanopoulou dell’U-M Energy Institute.
Il lavoro è stato sostenuto dalla Responsible Battery Coalition, una coalizione di aziende, accademici e organizzazioni impegnati nella gestione responsabile delle batterie di oggi e domani.
“Mentre la nazione e il mondo si spostano verso economie alimentate da batterie, è fondamentale prolungare la vita di tutti i tipi di batterie, in particolare quelle nelle nostre auto e camion”, ha detto Steve Christensen, direttore esecutivo della Responsible Battery Coalition.
“Questo lavoro di un istituto di ricerca rispettato come l’Università del Michigan è un primo passo importante per creare un cambiamento generazionale nel modo in cui i consumatori usano e trattano le batterie.”