In che modo la progettazione delle piastre cellulari contribuisce all’evoluzione di una tecnologia delle batterie ormai consolidata
È incredibile pensare che la storia delle batterie al piombo-acido a ciclo profondo (FLA) risalga a 150 anni fa, eppure queste batterie continuano a rappresentare oggi la soluzione più conveniente, affidabile e sostenibile tra quelle disponibili. L’idea di piastre di piombo immerse in un elettrolita acido sembra piuttosto semplice, ma piccoli progressi nella progettazione continuano a rendere la batteria FLA una scelta molto diffusa in numerosi settori industriali.
Miglioramento delle piastre reticolari
Spingersi oltre i limiti di una tecnologia centenaria per stare al passo con le esigenze delle apparecchiature moderne rappresenta un passo importante per i produttori di batterie come U.S. Battery. Con l’aumentare della domanda di autonomia più lunga e tempi di ricarica più brevi, i produttori devono continuare a esplorare modi per migliorare la composizione chimica delle batterie FLA. U.S. Battery ha scoperto che i limiti del progetto si manifestavano nell’inevitabile corrosione che si verificava nelle piastre della griglia della cella positiva della batteria.
Queste piastre reticolari venivano solitamente prodotte con una lega di piombo riciclata, un metallo morbido composto da piombo e antimonio, una miscela di piombo e altri metalli aggiunti per migliorarne la resistenza e la conduttività elettrica.
Attraverso una serie di test, U.S. Battery ha scoperto che l’aggiunta di selenio alla miscela di piombo e antimonio affinava i grani di piombo a livello microscopico. Ciò ha permesso di ottenere una lega di piombo più fine, con maggiore resistenza meccanica e resistenza alla corrosione rispetto alle leghe convenzionali di piombo e antimonio. L’effetto di questi miglioramenti apportati alla lega delle griglie ha eliminato la corrosione delle griglie positive come principale causa di guasto delle batterie FLA e ha contribuito a migliorare la durata ciclica della batteria.
Coltivazione di cristalli di solfato di piombo
La struttura di base di una batteria è costituita da piastre positive e negative che, una volta immerse in un elettrolita, generano una corrente elettrica. I materiali attivi presenti sulle piastre positive sono stati costantemente migliorati nel corso dei decenni. Oggi la maggior parte di essi è costituita da una miscela di ossido di piombo, acido solforico e vari additivi, che forma una pasta la quale viene aggiunta alla lega della griglia di piombo e poi essiccata per formare una cella della batteria.
Questo processo è denominato Hydroset, un processo di indurimento ed essiccazione utilizzato nella produzione delle piastre delle batterie al piombo-acido. Storicamente, gli elettrodi positivi sono stati trattati utilizzando questa procedura, progettata per far crescere cristalli di solfato di piombo tetrabasico (TTBLS) sulle piastre al fine di conferire resistenza e contrastare la costante espansione e contrazione dei materiali attivi durante le normali operazioni di carica e scarica della batteria (cicli). Questo processo di crescita cristallina presentava dei limiti nella capacità di controllare la gamma di dimensioni dei cristalli di TTBLS, causando la formazione di alcuni cristalli più grandi di altri. La crescita cristallina dipendeva da molti fattori quali tempo, temperatura, umidità, ecc., pertanto le dimensioni dei cristalli di TTBLS finiti erano sempre imprevedibili. Ciò era considerato un fattore limitante per l’autonomia complessiva della batteria con una singola ricarica, per il tempo necessario a raggiungere la piena carica e per la durata complessiva del ciclo di vita della batteria.
Gli ingegneri di U.S. Battery hanno lavorato a metodi per migliorare il processo Hydroset introducendo additivi per l’innesto dei cristalli. Ciò ha modificato l’ampia gamma di dimensioni dei cristalli, consentendo una crescita più controllata fino ai livelli desiderati. La possibilità di controllare in modo uniforme la dimensione dei cristalli nella struttura TTBLS ha portato a un aumento della capacità iniziale, a un raggiungimento più rapido della capacità nominale, a una maggiore capacità di picco e a migliori prestazioni di ricarica con un’ampia gamma di moderne tecnologie di ricarica delle batterie. U.S. Battery ha denominato questo processo “Xtreme Capacity” e lo ha integrato nell’intera linea di batterie a ciclo profondo FLA.
Materiali organici avanzati
Ulteriori miglioramenti sono derivati dall’aggiunta di materiali organici, quali additivi a base di carbonio come la grafite avanzata, il grafene e i nanocarbonio, da una migliore accettazione dinamica della carica e dalla solfatazione controllata nelle piastre negative delle batterie FLA a ciclo profondo. Gli additivi a base di carbonio hanno inoltre impedito la naturale tendenza del materiale attivo negativo a restringersi o a aggregarsi durante i cicli di carica-scarica, fenomeno che riduceva la capacità e la durata della batteria.
I recenti progressi nel campo di questi materiali a base di carbonio hanno aperto nuove opportunità per superare diversi limiti prestazionali delle batterie al piombo-acido FLA. Uno di questi riguarda le applicazioni di accumulo di energia, dove la ricarica imprevedibile proveniente da fonti solari, eoliche e altre fonti rinnovabili ha consentito progressi in termini di affidabilità e capacità di accumulo energetico.
Una fonte di energia sostenibile
I miglioramenti apportati nel corso dei decenni alle batterie FLA a ciclo profondo continuano a renderle una valida fonte di energia per molti settori industriali. Con una manutenzione e una cura adeguate, le batterie FLA sono adatte ad aziende e privati attenti al budget e risultano utili in situazioni in cui il peso non rappresenta un problema. In questi casi, la moderna batteria FLA presenta costi iniziali inferiori, si è dimostrata una tecnologia affidabile, è riciclabile quasi al 100% a sostegno delle iniziative ecologiche ed è molto robusta.