Batterie ioni di litio: cosa sono, vantaggi e soluzioni migliori

Una guida gratuita consente di confrontare le batterie agli ioni di litio con le batterie VRLA, per capire i vantaggi a livello di Total Cost of Ownership e di Ritorno degli Investimenti (ROI)

In questo articolo vedremo in generale cos’è il litio, cosa sono gli ioni di litio, e poi quindi cosa sono le batterie agli ioni di litio. Inoltre vedremo i vantaggi (e gli svantaggi) degli ioni di litio rispetto ad altre batterie attualmente presenti in commercio, e analizzeremo del dettaglio le soluzioni con ioni di litio per batterie di data center e UPS (ovvero Uninterruptible power supply, o gruppo di continuità) e di come le batterie agli ioni di litio risultano essere la soluzione ottimale per alimentare datacenter e ups e per l’IoT (Internet delle cose). Ma procediamo un passo alla volta.

Cos’è il litio

Il litio è un elemento chimica spesso indicato con il simbolo Li e con il numero atomico 3. Esso fa parte del gruppo dei metalli alcalini e nella sua forma pura è un metallo dal colore argenteo. Con il contatto con l’aria oppure con l’acqua esso si ossida molto velocemente. Tra gli elementi solidi esso rappresenta il metallo più leggere ed è usato principalmente nelle costruzioni delle leghe finalizzate alla costruzione dei condotti per la conduzione del calore. Altresì il Litio trova un larghissimo impiego nelle batterie a litio, nonché in alcuni farmaci che hanno effetto sull’umore della persona (antipsicotici). Il Litio è uno dei metalli a reattività molto elevata, motivo per cui non si trova in stato metallico in natura. Nonostante questo, esso resta comunque meno reattivo rispetto al Sodio e per via della relazione diagonali con il Magnesio ha molte proprietà simili a quest’ultimo. Non appena viene riscaldato, esso emette una fiamma dal colore cremisi, ma non appena inizia a bruciare molto intensamente, il colore della fiamma diventa di un bianco brillante. Come molti altri è un metallo univalente. Il Litio si trova in forme abbondanti nella crosta terrestre e ha una concentrazione di circa 20 mg per 1 kg di crosta. Tuttavia, per ottenerlo è necessario dividerlo dagli altri elementi o composti a cui il Litio si lega. In minima parte è presente anche nel granito e in varie salamoie naturali. Oltre alla crosta terreste, il litio è presente anche nell’acqua di mare con una concentrazione abbastanza elevata. I minerali più ricchi di Litio, invece, sono il petalite e il spodumene, che contengono delle alte concentrazioni di questo elemento.

Cosa sono gli ioni di litio

Gli ioni di Litio sono delle particelle con una carica positiva libera (denominati protoni) che possono facilmente entrare in reazione con altri elementi. Sono degli ioni molto piccoli, presenti in due varietà d’isotopi: 6Li e 7Li. Essi prendono parte a una vasta gamma di attività naturali, tra cui la formazione di minerali per precipitazione chimica, il metabolismo e persino lo scambio ionico. In ampia misura attualmente gli ioni di litio vengono utilizzate nella produzione delle apposite batterie elettriche. Tali batteria, difatti, possono venire costruite in una vasta gamma di dimensioni e di forme. Sono più leggere rispetto ad altre batterie e offrono anche delle prestazioni migliori. Per questo si pensa che in futuro le batterie a ioni di litio sostituiranno completamente quella a idrogeno. Gli ioni di Litio sono contenuti in numerosi prodotti curativi, in quanto si ritiene che il Litio sia uno degli elementi fondamentali per la vita umana. A tutto questo si aggiunge anche l’utilizzo del Litio nel campo delle bevande. Difatti questi ioni vengono aggiunti ai vari energy drink con lo scopo di garantire alla persona la possibilità di sprigionare una grande quantità di energia in poco tempo. Gli ioni di Litio vengono considerati tra i principali elementi necessari a un corpo per sentirsi giovane e fresco. Inoltre, come già accennato precedentemente, il Litio ha degli effetti positivi sull’umore della persona. Ma non bisogna esagerare, perché si tratta di un elemento che ha a che fare con il meccanismo di funzionamento del cuore.

Cosa sono le batterie agli ioni di litio

Le batterie servono a convertire l’energia chimica in energia elettrica attraverso una reazione redox (ovvero “ossidoriduzione”, dall’inglese reductionoxidation), ovvero una reazione chimica in cui gli elettroni vengono trasferiti da una specie chimica ad un’altra. Questo trasferimento viene poi utilizzato per alimentare carichi esterni.

Uno degli sviluppi che ha preso il mondo delle batterie oggi, è quello degli accumulatori agli ioni di litio, o più semplicemente batterie al litio.

La vita, durata ed efficienza delle batterie di litio è spesso superiore a quella delle comuni batterie, e visto che per chiunque utilizza uno smartphone la durata della carica è molto importante, spesso associamo la qualità del cellulare, smartphone o ipad alla qualità della sua batteria.

Ma cosa sono quindi queste batterie agli ioni di litio?

Si tratta di batterie ricaricabili, impiegate tradizionalmente nel campo dell’elettronica applicata ai servizi di comunicazione. Si caratterizzano per la loro leggerezza e compattezza e, appunto, per la possibilità di essere ricaricate velocemente, a differenza delle loro colleghe al nichel (NiCd o NiMH), anche se presentano alcune criticità sia a causa del consumo progressivo cui sono soggette sia nel caso in cui non vengano utilizzate per un determinato periodo di tempo.

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Come funzionano e struttura delle batterie al litio

Il funzionamento (ossia la carica e la scarica) delle batterie al litio, la cui struttura  è composta da un elettrodo positivo (catodo in litio) allacciato ad un elettrodo negativo (costituito da un anodo in carbonio), si realizza tramite delle reazioni chimiche che consentono di scaricare e ricaricare l’energia.

Nonostante falsi miti, che traggono origine dalle prime tipologie di batterie ricaricabili al nichel-cadmio, che necessitano di esaurirsi completamente prima di poter essere correttamente ricaricate, le batterie al litio di oggi presentano meno problemi in caso di ricarica parziale: non perdono, infatti, la capacità di immagazzinare corrente nel caso in cui vengano ricaricate solo parzialmente, non soffrendo quindi del cosiddetto “effetto memoria”, problema invece presente nelle batterie al nichel.

Perché scegliere gli ioni di litio

Oltre che nei dispositivi di tipo consumer, le batterie agli ioni di litio stanno giocando un ruolo sempre più importante in ambito Data Center. La ragione fondamentale è che l’avvento dell’Internet of Things (IoT) fa sì che una miriade di dispositivi di elaborazione e di rete siano ormai installati in aree al di fuori del tradizionale perimetro del data center: filiali e uffici domestici, punti vendita, siti industriali, persino aree all’aperto come impianti eolici e solari.

Ovviamente la moltiplicazione e la distribuzione dell’IT, paradossalmente, aumenta i rischi di disservizi, nel caso in cui un componente della catena dovesse accusare problemi, in particolare rispetto alla fonte fondamentale – e talvolta dimenticata – del funzionamento dell’information Technology: la corrente elettrica. Per mettersi al riparo le organizzazioni devono dotarsi di appositi gruppi di continuità (UPS) capaci di alimentare i dispositivi nel caso sopraggiungano questo tipo di problemi.

Come funzionano gli ioni di litio e cosa fa funzionare le batterie

C’è una tecnologia, che gioca un ruolo chiave per il funzionamento dei Data Center e non solo, che è rimasta sostanzialmente simile a se stessa negli ultimi 40 anni e che ora, per la concomitanza di una serie di fattori (tecnologici e non ), potrebbe conoscere una trasformazione radicale. Stiamo parlando degli UPS e, in particolare, alla modalità di immagazzinamento della energia elettrica, che in tutti questi decenni ha visto la predominanza delle batterie al piombo

Qualcosa, però, sta cambiando nel mondo delle batterie, per effetto degli importanti investimenti che interessano in prima battuta dispositivi come smartphone e automobili elettriche, investimenti destinati ad avere un impatto anche sugli UPS. Che, a loro volta, sono chiamati a rispondere alle nuove richieste degli utenti finali. Tra queste ci sono:

  • Un ridotto ingombro e peso dell’UPS per consentire un uso dello spazio più efficace e flessibile
  • Un aumento della disponibilità di storage energetico e la capacità di prevedere i guasti
  • Una maggiore durata e costi di manutenzione ridotti

Secondo Schneider Electric gli UPS equipaggiati con le batterie agli ioni di litio (Li-ion) hanno ottime possibilità di riuscire a rispondere efficacemente a tutte queste sfide.

Innanzitutto, le batterie agli ioni di litio forniscono più energia rispetto alle batterie piombo-acido(VRLA) con una maggiore densità di potenza. Di conseguenza, gli UPS costruiti con batterie agli ioni di litio occupano solo circa un terzo dello spazio o meno di una soluzione basata su VRLA che fornisce la stessa potenza. Questo minimo ingombro si traduce in una riduzione del fabbisogno di raffreddamento e di una riduzione di peso di almeno due terzi. Ciò significa che i clienti hanno maggiore flessibilità su dove installare i sistemi UPS, senza necessità di mettere in atto costose modifiche agli edifici.

Le batterie agli ioni di litio possono anche sopportare un intervallo di temperatura più ampio rispetto alle batterie VRLA. La regola generale è che la durata della batteria VRLA è ridotta della metà per ogni 10 ° C  di aumento oltre i 25 ° C. Al contrario, le batterie agli ioni di litio se utilizzate a basse velocità di scarica sono molto meno sensibili alle fluttuazioni di temperatura e possono accettare picchi senza quasi alcun effetto sulla durata della batteria. Nel caso degli UPS, in cui le batterie hanno a che fare con tempi di funzionamento molto brevi e velocità di scarica elevate, esiste un certo grado di sensibilità alle temperature, che risulta comunque inferiore rispetto alle batterie al piombo.

Un terzo vantaggio è che le batterie agli ioni di litio sono sempre dotate di sofisticati sistemi di monitoraggio della batteria (BMS) che forniscono un quadro chiaro del tempo di funzionamento e della salute della batteria. Al contrario, le batterie VRLA fanno essenzialmente affidamento sulla chimica che rende difficile prevedere con precisione il momento del fine vita.

C’è poi un ultimo, fondamentale beneficio delle batterie agli ioni di litio, ossia la loro maggiore aspettativa di vita. In teoria, le batterie VRLA utilizzate nei sistemi UPS hanno un’aspettativa di vita di 10 anni. Tuttavia, proprio a causa della difficoltà di determinare la reale aspettativa di vita, in pratica la maggior parte dei clienti li sostituisce dopo 5 o 6 anni. Al contrario, le batterie agli ioni di litio riescono a durare per più di 10 anni, riducendo i costi delle sostituzioni delle batterie, nonché i rischi di tempi morti o interruzioni.

Accanto ai vantaggi ci sono ovviamente tutta una serie di criticità che possono essere ulteriormente migliorate. Anche perchè i requisiti e le necessità degli UPS sono molto diversi da quelli di un’auto elettrica. Le batterie per auto sono progettate per immagazzinare molta energia in modo che l’auto possa percorrere il maggior numero di chilometri possibile.

Con le batterie UPS, al contrario, la preoccupazione principale non è tanto la durata del tempo di esecuzione tanto quanto la necessità di erogare molta potenza rapidamente per un breve periodo di tempo, di solito solo pochi minuti prima che i generatori di backup entrino in funzione. Per un UPS, inoltre, i clienti non sono certo interessati a un dispositivo che possa accendersi e spegnersi migliaia di volte, dal momento che un UPS entra in funzione solo occasionalmente. Piuttosto, il bisogno è di averne a disposizione uno altamente affidabile e sicuro, con una lunga aspettativa di vita.

In secondo luogo, quello che fa davvero la differenza è avere a disposizione una batteria in grado di fornire un TCO (Total Cost of Ownership) più basso rispetto alle batterie VRLA. Le batterie agli ioni di litio sono già competitive su questo fronte. Certo, potrebbero costare di più al momento dell’acquisto, ma questo aspetto è compensato dalla maggiore vita utile. Non solo: l’ingombro è decisamente più piccolo, riducendo così sia le esigenze di spazio che quelle di raffreddamento, offrendo dunque ulteriori risparmi sui costi.

Benefici e vantaggi delle batterie agli ioni di litio (per gli UPS)

La buona notizia è che gli UPS sono ora sempre più all’altezza del compito, offrendo ai clienti anche un’alternativa tecnologica importante. In effetti, storicamente gli UPS hanno fatto affidamento unicamente alle batterie al piombo (VRLA), ma ormai una alternativa comincia ad affacciarsi, ed è quella degli ioni di litio (Li-On): si tratta di batterie di circa il 30% più leggere di quelle VRLA e significativamente più piccole. Una caratteristica che comporta almeno due tipi di benefici: innanzitutto la possibilità di immagazzinare una quantità maggiore di energia nello stesso spazio. Oppure la stessa quantità di elettricità in uno spazio più piccolo.

Inoltre, le batterie agli ioni di litio possono resistere alle fluttuazioni della temperatura meglio delle batterie VRLA, rendendole più adatte a luoghi con temperature più elevate. In particolare ci sono una serie di settori che potrebbero essere particolarmente avvantaggiati da un impiego degli UPS Li-On.

A partire dai sistemi di vendita al dettaglio e back-office: a tutti è capitato di essere in un negozio in cui il sistema di verifica della cassa o della carta di credito non funzionava correttamente. Disservizi che possono causare lo scontento dei clienti e l’addio all’acquisto. Un UPS può eliminare i guasti dovuti a problemi di alimentazione di rete, inclusi sbalzi di tensione, picchi di tensione e interruzioni. Una situazione simile può verificarsi nei bancomat, che possono essere protetti da questo tipo di inconvenienti alla rete elettrica, oppure nei distributori automatici di prodotti.

differenza rispetto ad altri tipi di batterie (VRLA, APC Smart-UPS, etc.)

Il punto è che, mentre le applicazioni di alto valore come le apparecchiature di diagnostica medica e i controllori di processo di fabbrica sono probabilmente già protetti dagli UPS, i Li-ion possono estendere la protezione dai disservizi elettrici a questo tipo di servizi “minori”. In effetti, sinora, la mancanza di spazi adeguati ha impedito di installare in queste circostanze dei gruppi di continuità, che pure come si è visto possono avere un ruolo cruciale.

Inoltre, la maggiore durata delle batterie agli ioni di litio, che di fatto elimina la necessità della manutenzione, rappresenta un ulteriore incentivo all’installazione. Ovviamente, prima di procedere a un acquisto di qualunque tipo, le aziende devono assicurarsi di mettersi in casa un UPS in linea con i regolamenti di sicurezza.

Quali batterie scegliere per il data center: Batterie agli ioni di litio o VRLA?

Le nuove soluzioni Li-Ion Battery di APC aiutano a ridurre il costo totale di ownership grazie a una manutenzione delle batterie semplificata. Le soluzioni agli ioni di litio presentano diversi vantaggi rispetto alle tradizionali batterie al piombo-acido, ma il loro utilizzo per gli UPS è relativamente recente. Al contrario le batterie al piombo-acido a valvola rimangono la principale tecnologia di stoccaggio energetico.

Per capire come utilizzare al meglio le due tecnologie Schneider Electric mette a disposizione una guida che permette di confrontare le due tecnologie per l’utilizzo nelle applicazioni UPS statiche, indicando le composizioni chimiche e le tecnologie ottimali per le infrastrutture dei clienti.

Grazie al confronto del costo totale di proprietà (TCO) decennale relativo a entrambe le soluzioni, l’adozione delle batterie agli Ioni di Litio si rivela vincente con un TCO inferiore del 39% rispetto a quello delle batterie VRLA anche se i costi di capitale iniziale sono maggiori, con ritorno dell’investimento iniziale intorno ai 4 anni.

Vantaggi, svantaggi e limiti delle batterie al litio

Ed è proprio quello della temperatura uno degli aspetti che, ad oggi, costituisce uno svantaggio o, perlomeno, un fattore di rischio delle batterie al litio ; essendo infatti il litio un metallo pericoloso e infiammabile, un esposizione della batteria (e quindi del dispositivo) ad alte temperature le rende particolarmente soggette ad esplosioni.

Il sole e il calore possono essere considerati i peggiori nemici degli accumulatori al litio perché contribuiscono in modo consistente ad accelerarne il naturale invecchiamento. Se quindi lasciare, di per sè, una batteria attaccata al suo caricabatteria per un periodo eccessivamente lungo non presenta particolari problemi in merito alla sua ricarica, lo stesso non si può dire riguardo ad eventuali sbalzi di corrente o di cortocircuiti, situazioni che possono seriamente minarne l’integrità. Un altro limite delle batterie al litio è la necessità di essere utilizzate spesso , si mantengono in salute se vengono utilizzate con frequenza.

Va però considerato che le batterie agli ioni di litio possono essere utilizzate anche a distanza di mesi; pur perdendo parte del loro potenziale, l’eccessivo non utilizzo non comporta una eccessiva perdita di carica considerevole, laddove le batterie tradizionali, se non utilizzate per lo stesso lasso di tempo, arrivano a perdere anche il 50% della loro carica.

A seguito della loro struttura e composizione uno dei grandi svantaggi delle batterie al litio è che hanno una data di scadenza, indipendente dall’uso che se ne fa. Un uso saggio e corretto, limitando le situazioni di stress estremo, può sicuramente giovare alla sua performance, ma certamente non ne “allunga la vita” oltre la naturale scadenza. La loro durata oggi è decisamente inferiore rispetto alle classiche NI-Mh o alle batterie al piombo, più longeve ma con il problema del già accennato effetto memoria e dalla minore costanza della loro efficienza.

I costi delle batterie al litio

A fronte dei numerosi vantaggi già elencati va sottolineato che attualmente il costo delle batterie al litio è decisamente superiore rispetto a quelle tradizionali. Se si fa un paragone con le batterie al piombo, si può verificare che una batteria al Litio, a parità di capacità, oggi costa circa 4 volte di più. Quante volte ci siamo sentiti dire “è inutile cambiare la batteria,conviene cambiare il dispositivo”?.

Se oggi il consiglio è quello di usare le batterie tradizionali (piombo/nichel) nei casi di consumi quotidiani variabili ( ad esempio nell’suo domestico) e quelle al litio nelle situazioni in cui l’uso sia saltuario, con carichi di bassa potenza,(es tablet, cellulari), si suppone che nel futuro, in virtù del grande aumento della produzione di idrossido di litio (che comporterà un costante e continuo calo dei prezzi) le batterie al litio saranno sempre più presenti nella nostre abitudini quotidiane.

APC Smart-UPS ideale per Edge Computing e IoT

In particolare la tecnologia APC Smart-UPS con batterie agli ioni di litio risulta ideale per gli ambienti IT distribuiti con applicazioni di Edge computing e IoT industriale. Siamo nell’ambito di  applicazioni business-critical e nel contesto di sistemi Internet of Things collocati al bordo della rete per la necessità di ridurre la latenza, migliorare la connettività e potenziare le prestazioni. E si tratta di ambiti applicativo che sono esposti al rischio di interruzione dell’alimentazione con fattori di rischio che potrebbero portare a fermi macchina non programmati e a ricadute sulle performance produttive o a costose riparazioni o sostituzioni.

A seguito del grande interesse per queste soluzioni la divisione IT Schneider Electric, ha attivato un’area demo sul sito dove poter ricevere tutte le informazioni sulla nuova tecnologia Smart-UPS con batterie agli ioni di litio, oltre ad avere informazioni esclusive sui gruppi di continuità agli ioni di litio ed entrare in contatto con personale specializzato che guiderà gli interessati nella scelta del modello più adatto per la propria infrastruttura.

Le soluzioni Smart-UPS On-line con batterie agli ioni di litio saranno disponibili dal primo trimestre 2018. Ulteriori prodotti monofase Li-Ion saranno resi disponibili nel corso del 2018.

Batterie agli ioni di litio: utilizzo per UPS e Data Center

Come abbiamo raccontato in diverse occasioni su IoTEdge.it, le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono in grado di provocare un cambiamento radicali nel campo degli UPS (gruppi di continuità), principalmente a causa della loro durata più lunga, nonchè del loro peso e ingombro ridotto rispetto ai dispositivi funzionanti con le classiche batterie al piombo. Ma quali sono gli impatti concreti nei data center di piccole e medie dimensioni, spesso diffusi nelle imprese?

La tesi di Schneider Electric è che l’impatto possa essere decisamente importante. Innanzitutto c’è il tema dello spazio significativo occupato dalle batterie al piombo, che per questo non vengono collocate all’interno della White Room dell’IT.   Inoltre, molte organizzazioni negli ultimi anni hanno aumentato la temperatura delle loro sale server dei data center per risparmiare sui costi di raffreddamento, in linea con le indicazioni green e di risparmio energetico provenienti da più fronti. Il problema è che, mentre le apparecchiature IT e gli stessi UPS riescono a tollerare le temperature più elevate, le batterie VRLA, d’altra parte, tendono a invecchiare più rapidamente.  Per tutti questi motivi, le aziende tendono a creare dei locali dedicati appositamente per alloggiare le batterie VRLA.

La tecnologia agli ioni di litio ha tutto per ridurre drasticamente le dimensioni di queste stanze, dal momento che le batterie agli ioni di litio hanno una densità di energia molto più elevata. Per i progettisti dei Data Center questo si traduce in un aaumento dell’ingombro disponibile per lo spazio IT, riducendo allo stesso tempo i requisiti di raffreddamento, risparmiando sia sui costi di capitale che su quelli operativi correnti. Inoltre, in alcuni casi le batterie agli ioni di litio possono essere installate all’interno della white room, insieme alle infrastrutture IT e all’UPS. Un possibilità, è facile da capire, che risulta particolarmente apprezzabile per i data center di piccole e medie dimensioni. Oltre a liberare ulteriore spazio utile, questa opzione semplifica l’installazione e posiziona l’UPS e le batterie associate più vicino al carico IT, offrendo così una migliore protezione da eventuali problemi elettrici a monte.

Allo stesso modo, le aziende che utilizzano architetture di data center integrate scalabili e adattabili come Schneider Electric InfraStruxure , potrebbero beneficiare ulteriormente della tecnologia Li-ion. Con tali architetture, i rack IT, i componenti di alimentazione e di raffreddamento sono costruiti e testati come parte di una soluzione di data center integrata che può quindi essere ampliata se necessario nel tempo. Le batterie agli ioni di litio sono in grado di rendere questi “pod” integrati ancora più efficienti in termini di spazio ed energia rispetto a quelli già esistenti, offrendo gli stessi vantaggi associati alla vicinanza all’IT della combinazione UPS / batteria.

Oltre a ridurre i requisiti di spazio ed energia, le batterie Li-ion durano il doppio del tempo e richiedono meno manutenzione rispetto alla VRLA. Sono inoltre dotati di avanzati sistemi di monitoraggio della batteria (BMS), che consentono ai gruppi IT di accedere in modo semplice e remoto a una misura affidabile dello “stato di salute” e dello “stato di carica” ​​delle batterie.  Questo inevitabilmente si traduce in una minore necessità di manutenzione, con un numero di persone non IT chiamate a operare all’interno dei Data Center e relativi vantaggi organizzativi (nonchè di costi).

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