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L’attenzione dei data center è incentrata sulle batterie agli ioni di litio: sono pronte per un ruolo da protagonista?

Jeff Kessen •

Le batterie agli ioni di litio sono oggetto di un forte interesse in quanto rappresentano un’alternativa alle batterie a piombo-acido per l’utilizzo nei sistemi UPS dei data center. Uno degli aspetti più interessanti di questa tecnologia è la durata prevista. Queste batterie non solo offrono un leggero miglioramento rispetto a quelle a piombo-acido, ma la loro maggiore durata può potenzialmente eliminare almeno due cicli di sostituzione.

Il problema, naturalmente, è che le batterie agli ioni di litio attualmente in funzione nei data center sono ancora lontane dall’essere sostituite. Questa applicazione della tecnologia è infatti troppo recente. In assenza di dati operativi reali cui fare riferimento, come possono gli operatori dei data center essere certi che le batterie agli ioni di litio garantiranno l’aspettativa di vita prevista?

Questa è una delle domande più comuni che riceviamo dai clienti che stanno valutando una transizione alle batterie agli ioni di litio. Per rispondere a questa domanda, è necessario capire brevemente come degradano le prestazioni delle batterie agli ioni di litio nelle applicazioni dei data center.

Degrado delle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio hanno due modalità di degrado in gran parte indipendenti: vita in cicli e vita da calendario. Nelle applicazioni dei data center, i cicli di alimentazione delle batterie sono solitamente infrequenti e la vita da calendario è il fattore principale per la vita utile.

La vita da calendario descrive il modo in cui la capacità delle batterie diminuisce nel tempo. Come avviene anche per le tecnologie usate nelle altre batterie, la temperatura è un fattore essenziale per la vita utile. Una batteria agli ioni di litio operante a temperature più elevate si degrada più velocemente di un’altra identica che opera a temperature inferiori.

Dato che le batterie agli ioni di litio sono usate da oltre un decennio nelle applicazioni automobilistiche, oggi i produttori dispongono di una grande quantità di dati sulla vita da calendario, sia in condizioni controllate di laboratorio, sia in condizioni reali. Questi dati dimostrano che le batterie agli ioni di litio subiscono un degrado prevedibile nel tempo e non sono soggette a cali improvvisi al di sotto di un determinato livello di capacità. Inoltre, i dati sono più che sufficienti per garantire previsioni molto affidabili sulla durata delle batterie agli ioni di litio, in particolare nei data center in cui la temperatura ambiente è molto più controllata rispetto a un ambito automobilistico.

Pertanto, nonostante non vi siano ancora applicazioni in data center in cui le batterie agli ioni di litio siano in funzione da dodici o tredici anni, possiamo basarci su altre esperienze per definire aspettative realistiche sulla loro durata in base al sistema e all’applicazione specifici in cui vengono impiegate.

Rapporto tra degrado e tempi di funzionamento

Un’altra domanda comune che riceviamo riguarda l’impatto del degrado sui tempi di funzionamento delle batterie. In altre parole, le batterie agli ioni di litio sono soggette a guasti imprevisti con il passare degli anni come avviene per le batterie a piombo-acido?

Come detto in precedenza, le batterie agli ioni di litio degradano in modo prevedibile e in realtà il loro tasso di degrado diminuisce con l’invecchiamento. Di conseguenza, è improbabile che i tempi di funzionamento possano essere soggetti a un rapido declino della capacità. Tuttavia, quando invecchiano le batterie agli ioni di litio presentano anche un aumento della resistenza interna, proprio come le batterie a piombo-acido. Se il calore generato da tale resistenza causa temperature che superano la soglia stabilita nel sistema di gestione della batteria (Battery Management System, BMS), questo limiterà i tempi di funzionamento per impedire il surriscaldamento. Ciononostante, le variazioni previste durante il funzionamento con batterie agli ioni di litio sono più prevedibili e meno drastiche rispetto a quanto avviene con le batterie a piombo-acido.

Sicurezza delle batterie agli ioni di litio

Spesso riceviamo domande sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio a seguito di alcuni episodi di incendi di computer portatili o altri dispositivi con questa tipologia di batterie.

Le batterie agli ioni di litio sono soggette ad alcune condizioni note che possono portarle a incendiarsi o a rilasciare gas se la pressione interna è troppo alta. Conoscere queste condizioni di rischio e tenerle sotto controllo è lo scopo principale del BMS integrato in ogni sistema di batterie agli ioni di litio. Il monitoraggio continuo dell’affidabilità è una funzione estremamente preziosa ma secondaria del BMS.

In genere le condizioni che comportano i rischi maggiori sono ricarica eccessiva, surriscaldamento e cortocircuito delle celle della batteria. Il BMS implementa controlli che mantengono la batteria nel range operativo sicuro tramite la misurazione continua di tensione delle celle, temperature del sistema, corrente della batteria e altri parametri. La certificazione UL o CE del sistema di batterie verifica la funzionalità e l’efficacia del BMS. Come esempio di quanto il BMS sia in grado di svolgere questa funzione, in genere i produttori devono scollegare il BMS durante i test antincendio poiché non è possibile causare un incendio all’interno della batteria quando questo sistema è operativo.

Discutiamo più dettagliatamente questi problemi e altre domande comuni nel nostro nuovo white paper, Considerations for Evaluating Lithium-Ion Batteries in Stationary Applications (Considerazioni per la valutazione delle batterie agli ioni di litio in applicazioni stazionarie) e il suo complemento Frequently Asked Questions About Using Lithium-Ion Batteries in UPS Applications (Domande frequenti sull’uso delle batterie agli ioni di litio nelle applicazioni UPS).

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