Utilizzare caricabatterie appositi per ottenere il massimo dalle batterie al litio-ferro-fosfato

Nelle batterie LiFePO₄, il litio-ferro-fosfato (LiFePO₄) è utilizzato come materiale catodico, mentre per il catodo viene impiegato un materiale di grafite-carbonio con supporto metallico. Descritte per la prima volta dai ricercatori dell'Università del Texas nel 1996, non sono una tecnologia nuova. Tuttavia, la loro elettrochimica sta riscuotendo molto interesse perché offre alcuni vantaggi rispetto alle celle agli ioni di litio (Li-ion). Il costo è inferiore, la tossicità è quasi nulla, il ferro è ampiamente disponibile e la stabilità termica è eccellente. Al contrario, il nichel e il cobalto utilizzati nelle batterie agli ioni di litio sono difficili da reperire, costosi e più dannosi per l'ambiente.

Inoltre, le batterie LiFePO₄ accettano molti più cicli di ricarica rispetto alle celle agli ioni di litio equivalenti. A seconda dell'utilizzo della batteria, sono possibili da 1000 a 10.000 cicli. Una batteria LiFePO₄ standard può sostenere almeno l'80% di capacità di scarica (o "profondità di scarica") per un minimo di 2000 cicli. La caratteristica equivalente di una tipica batteria agli ioni di litio è di 300-500 cicli.

Altre caratteristiche delle batterie LiFePO₄ sono la tolleranza alla ricarica veloce, la bassa resistenza interna che garantisce correnti di scarica elevate e la notevole stabilità della tensione di alimentazione. Anche ad alte temperature il loro funzionamento resta regolare.

Il modello PSL-FP-IFP2770180EC è un buon esempio di batteria LiFePO a 3,2 V, 25 Ah, realizzata da Power Sonic Corporation (Figura 1).

Figura 1: Una batteria LiFePO4 è meno costosa e offre un maggior numero di cicli di ricarica rispetto a una equivalente agli ioni di litio. (Immagine per gentile concessione di Power Sonic Corporation)

Tuttavia, vi sono alcuni inconvenienti che, fino a poco tempo fa, hanno impedito una maggiore diffusione delle batterie LiFePO₄. Tra questi, una densità di energia inferiore del 15-25% rispetto alla chimica degli ioni di litio e una tensione di uscita inferiore, pari a 3,2 V, rispetto ai 3,7 V. Inoltre, le batterie LiFePO₄ non rendono bene a basse temperature e in genere richiedono maggiore cura e protezione rispetto alle loro controparti più robuste agli ioni di litio.

Miglioramenti nella densità di energia delle LiFePO₄

I recenti miglioramenti nella densità di energia hanno reso le batterie LiFePO₄ idonee per una più ampia gamma di dispositivi. Sebbene sia improbabile che sostituiscano le batterie agli ioni di litio in prodotti come i telefoni cellulari o i computer portatili, in applicazioni con maggiore spazio e/o dove il basso costo e la facilità di riciclo sono importanti, potrebbero costituire una buona alternativa. Ne sono un esempio le biciclette elettriche (e-bike) e alcuni modelli di veicoli elettrici (EV). Ad esempio, Tesla ha annunciato alla fine del 2021 che sarebbe passata alle batterie LiFePO₄ per le sue vetture di base. Le batterie dell'azienda offrono circa 260 Wh/kg, un valore pari a quello delle migliori celle agli ioni di litio.

Figura 2: La Tesla Model 3 adotta ora le batterie LiFePO4 (Immagine per gentile concessione di Tesla)

I progettisti prendono sempre più spesso in considerazione le batterie LiFePO₄ in applicazioni in cui il loro basso costo, la lunga durata e le caratteristiche elettriche favorevoli sono più importanti dell'alta densità di energia. Ne sono un esempio i dispositivi radiocomandati, i prodotti portatili a motore e, in particolare, i sensori nel campo dell'Internet delle cose industriale (IIoT).

Poiché solo un gruppo ristretto di ingegneri è coinvolto nella progettazione di prodotti esotici come i veicoli elettrici, è in queste applicazioni più modeste che è sempre più probabile trovare fonti di alimentazione LiFePO₄.

Maneggiare con cura

Le chimiche agli ioni di litio e al LiFePO₄ presentano alcune analogie. Ad esempio, l'energia deriva dal movimento degli ioni di litio, che liberano elettroni per creare una corrente elettrica che alimenta un dispositivo. Tuttavia, una differenza importante riguarda la modalità di ricarica. Le batterie LiFePO₄ hanno caratteristiche elettriche diverse dagli ioni di litio, che modificano il profilo di carica. La variazione è sottile ma importante da comprendere per sfruttare al meglio le LiFePO₄.

Le Figure 3 e 4, per gentile concessione di Texas Instruments, mostrano la differenza tra i profili di carica tipici delle batterie agli ioni di litio e le LiFePO₄. L'algoritmo di carica delle LiFePO₄ (Figura 4) non richiede la modalità a tensione costante (CV) tipica del ciclo di carica delle batterie agli ioni di litio (Figura 3). Invece, la batteria viene caricata rapidamente con una corrente costante di carica rapida (CC) fino a una tensione di sovraccarico e poi lasciata "rilassare" fino a una soglia di tensione di carica di mantenimento inferiore. L'eliminazione del controllo CV riduce notevolmente il tempo di carica. Durante il ciclo di carica, un circuito di controllo interno monitora la temperatura della giunzione del CI di gestione dell'alimentazione (PMIC) e riduce la corrente di carica se la sua soglia di temperatura viene superata.

Figura 3: La carica delle batterie agli ioni di litio segue tre fasi distinte. Dapprima la batteria viene caricata con una modesta corrente costante di precarica, quindi con una carica costante più elevata per immettere rapidamente energia. Infine, quando la tensione di carica corrisponde a quella nominale della batteria, il profilo passa a una tensione costante per portare delicatamente la batteria alla piena carica. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Figura 4: La carica delle LiFePO4 è diversa da quella delle Li-ion. Dopo la precarica, la batteria viene caricata a piena capacità con una corrente costante. La tensione viene quindi lasciata prima "rilassare" e poi viene mantenuta applicando una piccola carica aggiuntiva. Rispetto al ciclo delle Li-ion, la carica delle batterie LiFePO4 è più rapida. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Un'ulteriore differenza tra i profili di carica è la tensione di carica massima più bassa per la batteria LiFePO₄, dovuta alla differenza nella composizione chimica. La tensione di carica massima per la batteria LiFePO₄ è limitata a una sovratensione di 3,6 V prima di scendere a 3,5 V, mentre per la batteria agli ioni di litio è limitata a 4,1 o 4,2 V.

Caricabatterie compatti per LiFePO₄

L'aumento dell'uso delle LiFePO₄ ha incoraggiato le aziende produttrici di chip a introdurre CI monolitici dedicati alla ricarica delle celle con un profilo ottimizzato. Questi circuiti consentono di incorporare la tecnologia senza dover progettare da zero un circuito di gestione dell'alimentazione.

Un esempio è il PMIC BQ25070DQCR per LiFePO₄ di Texas Instruments. Il dispositivo, in un contenitore di 2 x 3 mm, fornisce una tensione di sovraccarico di 3,7 V e una di mantenimento di 3,5 V fino a 1,2 A.

Un secondo esempio è MCP73123T-22SI/MF di Microchip Technology. Il dispositivo funziona con un ingresso da 4 a 16 V e offre una corrente di carica massima di 1,1 A. Il valore CC di carica rapida viene impostato con un resistore esterno da 130 mA al limite superiore, a seconda della batteria ricaricata. MCP73123/223 limita anche la corrente di carica in base alla temperatura del die in condizioni di alta potenza o di temperatura ambiente elevata (Figura 5).

Figura 5: Schema del PMIC per LiFePO4 di Microchip Technology. Il resistore collegato al pin PROG imposta la corrente di carica massima. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Una terza soluzione è proposta da Analog Devices. Il PMIC MAX77787JEWX+ funziona con una tensione di ingresso da 4,5 a 13,4 V e ha una corrente di carica massima di 3,15 A. La corrente di carica rapida e la tensione di terminazione sono configurate con resistori esterni. Il dispositivo da 2,75 x 2,75 mm supporta sia la ricarica LiFePO₄ che Li-Ion.

Conclusione

Nonostante gli svantaggi rispetto agli ioni di litio in termini di densità di energia e tensione di alimentazione, le batterie LiFePO₄ offrono un maggior numero di cicli di ricarica e vantaggi di ricarica rapida. Inoltre, si prestano bene per molte applicazioni sensibili ai costi, tra cui i veicoli elettrici e i sensori IIoT. I caricabatterie monolitici appositamente progettati consentono di utilizzare facilmente la chimica della batteria, con profili di carica ottimizzati che garantiranno lunga durata e affidabilità.