As baterias de lítio se diferenciam de outras químicas de bateria devido à sua alta densidade de energia e baixo custo por ciclo. No entanto, "bateria de lítio" é um termo ambíguo. Existem cerca de seis produtos químicos comuns de baterias de lítio, todos com suas próprias vantagens e desvantagens. Para aplicações de energia renovável, a química predominante é o fosfato de ferro e lítio (LiFePO4). Esta química tem excelente segurança, com grande estabilidade térmica, altas classificações de corrente, ciclo de vida longo e tolerância a abusos.
Fosfato de ferro de lítio (LiFePO4) é uma química de lítio extremamente estável quando comparada a quase todas as outras químicas de lítio. A bateria é montada com um material catódico naturalmente seguro (fosfato de ferro). Comparado com outros produtos químicos de lítio, o fosfato de ferro promove uma forte ligação molecular, que resiste a condições extremas de carga, prolonga o ciclo de vida e mantém a integridade química ao longo de muitos ciclos. Isso é o que dá a essas baterias sua grande estabilidade térmica, longa vida útil e tolerância ao abuso. As baterias LiFePO4 não são sujeitas a superaquecimento, nem são descartadas para 'fuga térmica' e, portanto, não superaquecem ou pegam fogo quando submetidas a manuseio incorreto rigoroso ou condições ambientais adversas.
Ao contrário do ácido de chumbo inundado e outras substâncias químicas de bateria, as baterias de lítio não liberam gases perigosos como hidrogênio e oxigênio. Também não há perigo de exposição a eletrólitos cáusticos, como ácido sulfúrico ou hidróxido de potássio. Na maioria dos casos, essas baterias podem ser armazenadas em áreas confinadas sem risco de explosão e um sistema projetado corretamente não deve exigir resfriamento ou ventilação ativa.
As baterias de lítio são um conjunto composto de várias células, como baterias de chumbo-ácido e muitos outros tipos de baterias. As baterias de chumbo-ácido têm uma tensão nominal de 2 V / célula, enquanto as células de bateria de lítio têm uma tensão nominal de 3,2 V. Portanto, para obter uma bateria de 12 V, você normalmente terá quatro células conectadas em série. Isso fará com que a tensão nominal de um LiFePO4 seja de 12,8 V. Oito células conectadas em série formam uma bateria de 24 V com tensão nominal de 25,6 V e dezesseis células conectadas em série formam uma bateria de 48 V com tensão nominal de 51,2 V. Essas tensões funcionam muito bem com seus inversores típicos de 12 V, 24 V e 48 V.
As baterias de lítio são freqüentemente usadas para substituir diretamente as baterias de chumbo-ácido porque têm tensões de carga muito semelhantes. Uma bateria LiFePO4 de quatro células (12,8 V) normalmente terá uma tensão máxima de carga entre 14,4 e 14,6 V (dependendo das recomendações do fabricante). O que é único em uma bateria de lítio é que ela não precisa de uma carga de absorção ou ser mantida em um estado de tensão constante por períodos significativos de tempo. Normalmente, quando a bateria atinge a tensão de carga máxima, ela não precisa mais ser carregada. As características de descarga das baterias LiFePO4 também são únicas. Durante a descarga, as baterias de lítio manterão uma tensão muito mais alta do que as baterias de chumbo-ácido normalmente manteriam sob carga. Não é incomum que uma bateria de lítio caia apenas alguns décimos de volt de uma carga completa para 75% descarregada. Isso pode dificultar saber quanta capacidade foi usada sem o equipamento de monitoramento da bateria.
Uma vantagem significativa do lítio sobre as baterias de chumbo-ácido é que elas não sofrem de ciclos deficitários. Basicamente, isso ocorre quando as baterias não podem ser totalmente carregadas antes de serem descarregadas novamente no dia seguinte. Este é um problema muito grande com baterias de chumbo-ácido e pode promover degradação significativa da placa se repetidamente cicladas dessa maneira. Baterias LiFePO4 não precisa ser totalmente carregado regularmente. Na verdade, é possível melhorar ligeiramente a expectativa de vida geral com uma leve carga parcial em vez de uma carga completa.
A eficiência é um fator muito importante ao projetar sistemas elétricos solares. A eficiência de ida e volta (de cheia para morta e de volta para cheia) da bateria de chumbo-ácido média é de cerca de 80%. Outros produtos químicos podem ser ainda piores. A eficiência energética de ida e volta de uma bateria de fosfato de ferro de lítio é de mais de 95-98%. Isso por si só é uma melhoria significativa para sistemas sem energia solar durante o inverno, a economia de combustível do carregamento do gerador pode ser enorme. O estágio de absorção de carga das baterias de chumbo-ácido é particularmente ineficiente, resultando em eficiências de 50% ou até menos. Considerando que as baterias de lítio não absorvem a carga, o tempo de carga de completamente descarregada a completamente cheia pode ser de apenas duas horas. Também é importante observar que uma bateria de lítio pode sofrer uma descarga quase completa conforme classificado, sem efeitos adversos significativos. É, no entanto, importante certificar-se de que as células individuais não se descarregam excessivamente. Este é o trabalho do Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) integrado.
A segurança e confiabilidade das baterias de lítio é uma grande preocupação, portanto, todos os conjuntos devem ter um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) integrado. O BMS é um sistema que monitora, avalia, equilibra e protege as células de operar fora da "Área de Operação Segura". O BMS é um componente de segurança essencial de um sistema de bateria de lítio, monitorando e protegendo as células dentro da bateria contra sobrecorrente, sub / sobretensão, sub / superaquecimento e muito mais. Uma célula LiFePO4 será permanentemente danificada se a voltagem da célula cair para menos de 2,5 V, ela também será permanentemente danificada se a voltagem da célula aumentar para mais de 4,2 V. O BMS monitora cada célula e evita danos às células no caso de sub / sobretensão.
Outra responsabilidade essencial do BMS é equilibrar o pacote durante o carregamento, garantindo que todas as células recebam uma carga completa sem sobrecarregar. As células de uma bateria LiFePO4 não se equilibram automaticamente no final do ciclo de carga. Existem pequenas variações na impedância através das células e, portanto, nenhuma célula é 100% idêntica. Portanto, quando cicladas, algumas células serão totalmente carregadas ou descarregadas mais cedo do que outras. A variação entre as células aumentará significativamente ao longo do tempo se as células não estiverem equilibradas.
Em baterias de chumbo-ácido, a corrente continuará a fluir mesmo quando uma ou mais das células estiverem totalmente carregadas. Isso é resultado da eletrólise que ocorre dentro da bateria, a água se dividindo em hidrogênio e oxigênio. Esta corrente ajuda a carregar totalmente outras células, equilibrando assim naturalmente a carga em todas as células. No entanto, uma célula de lítio totalmente carregada terá uma resistência muito alta e muito pouca corrente fluirá. As células retardadas, portanto, não estarão totalmente carregadas. Durante o balanceamento, o BMS aplicará uma pequena carga às células totalmente carregadas, evitando que elas sobrecarreguem e permitindo que as outras células se recuperem.
As baterias de lítio oferecem muitos benefícios em relação a outras substâncias químicas. Eles são uma solução de bateria segura e confiável, sem medo de fuga térmica e / ou derretimento catastrófico, o que é uma possibilidade significativa de outros tipos de bateria de lítio. Essas baterias oferecem um ciclo de vida extremamente longo, com alguns fabricantes até mesmo garantindo baterias por até 10.000 ciclos. Com altas taxas de descarga e recarga acima de C / 2 contínuo e uma eficiência de ida e volta de até 98%, não é de se admirar que essas baterias estejam ganhando força na indústria. O fosfato de lítio e ferro (LiFePO4) é uma solução perfeita de armazenamento de energia.
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