Lo stato di salute della batteria

L’usatissima sigla “SoH” sta per “State of Health”, è lo stato di salute della batteria agli ioni di litio. Ce ne parla in questo contributo Claudius Jehle, Ceo of volytica diagnostics*, pubblicato dai nostri colleghi di Sustainable Bus e qui riproposto. In questo articolo cerchiamo di attraversare il confine tra effetti a breve termine e il vasto campo del degrado, a cui dedicheremo un’intera serie di articoli nel 2022. Ma per cominciare, è importante capire alcuni principi di base. Cos’è il “SoH”, termine usato eccessivamente? Come si definisce, cosa lo influenza, come si determina?

Fenomenologia – Come il degrado si fa notare

Il principio di base delle batterie agli ioni di litio è che gli ioni di litio sono incorporati in un elettrodo ospite, dal quale sono estraibili. Una batteria “piena” ha praticamente tutte le sedi dell’anodo occupate da ioni*, mentre le sedi del catodo sono vuote. Quando si scarica, gli ioni si alzano, rilasciano un elettrone, migrano fuori dal rispettivo elettrodo (che è relativamente lento, dato l’ingombro, come abbiamo appreso), nuotano rapidamente per pochi micrometri attraverso il separatore infuso di elettrolita, solo per riemigrare nell’elettrodo opposto. Gli elettroni fanno il percorso lungo attraverso l’elettronica del veicolo o del sistema, alimentandoli. Tutti si riuniscono dall’altra parte.

Questo semplice processo ha diversi fattori “interferenti”. Per molte sostanze chimiche, le temperature calde aumentano la mobilità degli ioni, determinando direttamente più ioni al secondo, cioè resistenza inferiore. In termini macroscopici: più potenza, ricarica più veloce, accelerazione più veloce.

Bello! Ma anche: maggiore distrazione per gli ioni “reazione felice”. Più è caldo, maggiore è la loro tendenza a flirtare con le miriadi di agenti chimici all’interno della batteria. In tali “reazioni collaterali”, gli ioni si combinano con altri componenti e vengono persi per l’accumulo di energia. Inoltre, se troppo freddo, o se troppi ioni congestionano le superfici degli elettrodi (ad es. carica/scarica troppo rapida), o se l’elettrodo di destinazione è già troppo pieno, o dozzine di altre combinazioni chimiche, gli ioni vengono catturati in spiacevoli reazioni collaterali che li allontanano dal loro obiettivo.

Voilà: questa perdita di materiale attivo riduce la capacità e questi prodotti collaterali inutili ostruiscono i percorsi di migrazione, aumentando la resistenza interna e abbassando le capacità di potenza. Tutto qua.

Durante la degradazione, il materiale attivo (ioni di litio) viene consumato nelle reazioni collaterali e (a) non è più disponibile per il trasporto/lo stoccaggio di carica (sbiadimento della capacità, riduzione del volume) e (b) intasano l’interno in modo tale che la resistenza alla corrente aumento della portata (aumento della resistenza, riduzione della portata).

Nota: diventerà molto importante in seguito capire che, sfortunatamente, non esiste una relazione universale tra la diminuzione della quantità di capacità e l’aumento della quantità di resistenza. In altre parole, mentre la maggior parte di queste reazioni collaterali (ce ne sono dozzine, se non centinaia) si traducono in una qualche forma di attenuazione della capacità o in un’altra, alcune provocano un notevole aumento della resistenza e altre non si intasano affatto.

Non possiamo continuare senza menzionare questo: alcune di queste reazioni collaterali sono sottili e “cattive”. Consumano litio, ma a differenza delle reazioni noiose, producono residui acuti e aggressivi. Solo quando è troppo tardi e quei difetti crescono troppo e danneggiano la batteria internamente, gli effetti diventano evidenti: perdita o incendio. 

Ma per il momento ci limitiamo agli effetti meno rilevanti per la sicurezza. Guardiamo il seguente estratto di 15 minuti di un profilo di guida di un e-bus**. Il profilo attuale (in alto), ovvero la richiesta di addebito che un determinato percorso richiede al veicolo, ovviamente sostanzialmente non cambia nel corso degli anni (a meno che il percorso non cambi). Ma la tensione o l’altezza di riempimento lo fa – in modo significativo! L’occhio allenato discerne i due effetti sopra menzionati: (a) la batteria generalmente si esaurisce più rapidamente al diminuire della capacità e (b) le reazioni ai salti di corrente (frenata/accelerazione) aumentano, ovvero la tensione diminuisce ulteriormente a parità di corrente in ingresso.***

Cosa sta succedendo alla fine, all’estrema destra? Un piccolo colpo sul pedale (piccolo salto di corrente nella trama superiore, freccia rossa) trascina la tensione già bassa al di sotto del limite di sicurezza minimo ammissibile assoluto di 3,0 V (traccia inferiore, freccia rossa), portando il sistema allo spegnimento (la corrente salta a 0 , trama superiore).

Quindi: il degrado (quello noioso) limita l’idoneità dell’asset riducendo i gradi di libertà operativi fino al punto di spegnimento. La dissolvenza della capacità e l’aumento della resistenza influiscono entrambi sulla tensione, intrecciati e inseparabili. Un singolo indicatore di prestazione può quindi non essere sufficiente per descrivere l’idoneità operativa, per non parlare della sicurezza.

State of Health, SoH o stato di salute della batteria

Eppure c’è un unico parametro molto importante in cui questa speranza e illusione è spesso proiettata: il povero SoH sta sopportando questo fardello quasi da solo! Che cos’è in realtà SoH? Beh, non lo sappiamo per certo, dipende dal contesto e a chi lo chiedi. Se dichiarato senza alcuna informazione circostanziale, si può presumere che si intenda la capacità rimanente relativa alla capacità originaria (e ad esempio non la resistenza, la combinazione di entrambi, la sicurezza eccetera).

La corrente in entrata/uscita porta alla “schiuma”****. Una batteria non può essere (s)caricata arbitrariamente rapidamente. L’afflusso genera componenti di tensione privi di energia che forzano una diminuzione della velocità di corrente una volta che la tensione contenente energia più questa “schiuma” raggiungono la tensione massima assoluta. Proprio come preparare un bicchiere di birra.

Detto questo, non è possibile parlare di “capacità” di una batteria (o di un bicchiere), nel senso stesso della parola. Non c’è una capacità “uno”. La quantità di carica che si ottiene in una batteria dipende dalle condizioni. Se fatto ad alta corrente, si ottiene meno (troppa schiuma). Se fa freddo, guadagni ancora meno (ancora più schiuma). Se si carica molto lentamente, non si forma schiuma e si ottiene molto di più. Se addebiti in modo non costante (cioè usi la cosa) ottieni qualcosa nel mezzo. Naturalmente, quanto detto vale anche per lo scarico/l’utilizzo. Questo è fondamentale per capire.

Spesso, il “SoH” è quindi implicitamente inteso come “la quantità di carica scaricabile in condizioni di laboratorio con una corrente costante di 1C fino a quando la tensione non raggiunge l’ass. soglia minima” (il “SoH_c@1C”). Conoscere questo numero ci dice qualcosa del tipo: “L’autonomia che una risorsa può percorrere in condizioni di laboratorio se guida ininterrottamente a velocità costante senza soste”. Spesso si intende anche la capacità a correnti molto basse (la capacità 0C). Questo è utile per la comparabilità tra asset, ma spesso solo teoricamente utile per le operazioni quotidiane.

Nota: se si desiderasse visualizzare una batteria in una luce molto ottimistica, si dovrebbe considerare unilateralmente SoH come capacità caricabile con un profilo CCCV a bassa corrente, che può essere significativamente superiore al caso inverso. Questo non è un cavillo accademico: le differenze possono essere del 5-30% della capacità!

Stato di salute della batteria: misurazione e certificazione

Una conseguenza diretta di ciò è che il SoH è difficilmente misurabile proprio in questo senso. Non mi riferisco alla sua indefinitezza, potremmo essere d’accordo su una definizione. No, le condizioni non si verificano nelle attività quotidiane! Un autobus non viene mai guidato a bassa velocità costante fino a quando non si ferma in mezzo alla strada (e alla temperatura di laboratorio), per essere rimorchiato. Quindi l’elettronica di bordo fa fatica a stimare la capacità residua, aggravata dai problemi di “schiuma” e “forma del vetro”. Data la limitata potenza di calcolo e la differenza tra il funzionamento quotidiano e le condizioni di laboratorio, qualsiasi capacità residua stimata a bordo deve essere trattata con la massima cura, cautela e consapevolezza.

Alcune parole sui test ad hoc o rapidi: abbiamo imparato che la diminuzione della capacità va di pari passo con l’aumento della resistenza. Pertanto, ci sono molteplici sforzi per aggirare le procedure ingombranti e lunghe mediante misurazioni indirette – come nel test rapido per il Covid: i test a flusso laterale non verificano la presenza di virus, ma segnali indiretti. Le informazioni sulla resistenza – o più tecnicamente, l’impedenza – possono essere misurate (!) rapidamente, in pochi secondi o minuti*****. Quindi, se entrambi i processi si verificano insieme, dovrebbe esserci una relazione? Misurazione rapida della resistenza, tabella di ricerca, informazioni sulla capacità. Guardiamo la figura successiva: sull’asse verticale viene fornito un valore relativo alla resistenza. Le 3 aree colorate (ho aggiunto le aree leggermente colorate per circondare i punti) contengono informazioni da 3 forme di misurazione della capacità (nota a margine: si può vedere molto bene che a seconda della procedura di test anche in un laboratorio i risultati SoH differiscono significativamente!).

La ricerca****** ci dice che anche in condizioni di laboratorio non esiste una correlazione 1 a 1 tra resistenza e capacità, piuttosto un’ampia regione. I risultati di tali test rapidi richiedono un database solido e completo o tabelle di ricerca (la raccolta richiede molto tempo!), ma i risultati presentano enormi incertezze.

Diciamo che uno misura 5 Ohm (linee rosse). Il SoH corrispondente potrebbe essere qualsiasi cosa da circa 85-95%. E questo non deve sorprendere: ho detto prima che non tutte le reazioni collaterali influiscono sulla resistenza, poiché influiscono sulla capacità. Quindi ci deve essere una diffusione enorme. Quindi, un test rapido basato su resistenza/impedenza non è altro che un test rapido: fornisce spunti e suggerimenti, ma non può sostituire un’indagine approfondita. E non sono contenute informazioni sui problemi di sicurezza.

Molte più informazioni e valore sono contenute nei segnali operativi della batteria che sono stati trasmessi via telematica a un server nel Cloud. Oggi, i costi di transazione per la trasmissione e lo stoccaggio sono trascurabili e sono eclissati dal valore aggiunto: i reclami in garanzia, la sostituzione e le decisioni di acquisto delle batterie sono inseparabilmente legati alla qualità della batteria. Vogliamo che venga data maggiore consapevolezza e maggiore attenzione quando si valuta l’idoneità operativa, la vita residua e/o il valore di un asset e che l’attenzione unilaterale sul “SoH” sia almeno messa in discussione e contestata dal settore.

In conclusione

• Il degrado ha solo due effetti direttamente percepibili: dissolvenza della capacità e aumento della resistenza
• Gli effetti sono inseparabilmente intrecciati. L’idoneità operativa o il valore residuo non possono quindi essere rappresentati da un unico valore “SoH”. SoH è più un concetto che un numero.
• Ci sono anche effetti “nascosti” del degrado che sfortunatamente hanno un’estrema rilevanza per la sicurezza – ma quelli non funzionano sotto il concetto di SoH!
• SOH non è una misura di sicurezza. Ancora: SoH non è una misura di sicurezza!
• La diminuzione della capacità, l’aumento della resistenza, l’idoneità operativa, i fattori di stress e tutti gli altri aspetti sono molto difficili da misurare con test rapidi o elettronica: non procrastinare per implementare un adeguato sistema di acquisizione dati, analisi e gestione delle risorse.

*In realtà, in questa fase non sono ioni ma atomi, ma per semplicità non li distingueremo qui. 
**Il profilo è stato registrato per via telematica e successivamente riprodotto su cellule in laboratorio per diversi anni. Si noti che in un’applicazione nel mondo reale, il profilo corrente cambierebbe. Per motivi di semplicità e dimostrazione, questo aspetto è trascurato qui.
*** Va bene, siamo d’accordo, questo è difficile da discernere; infatti i salti di tensione arancioni sono circa 32% in più rispetto a quelli blu!
**** Disclaimer ancora una volta: non vera schiuma, ma una metafora. 
*****Utilizzando semplici algoritmi o sensori aggiuntivi come EIS (spettroscopia di impedenza elettrochimica)
******Landa-Medrano e al., Journal of The Electrochemical Society 167/9, 2020, https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ab8b99