Sistemi con antenna in ceramica o PCB e il loro sistema di alimentazione: i tipi di batteria al litio-ferro-fosfato o agli ioni di litio per sistemi embedded

Zachariah Peterson
|  Creato: May 26, 2017  |  Aggiornato: November 27, 2020

Due delle batterie più popolari scelte per i sistemi embedded come quelli dei GPS con antenna in ceramica o PCB sono le batterie agli ioni di litio (Li-Ion) e le batterie al litio-ferro-fosfato (Li-Fosfato o LiFePO4). Questi due tipi di batterie hanno caratteristiche di carica e scarica molto diverse, anche se hanno una chimica simile e utilizzano alcuni degli stessi materiali. In alcuni sistemi, si possono usare entrambe ma ciascuna ha i suoi vantaggi in diverse applicazioni che possono dipendere dalla velocità di scarica, dalla velocità di carica richiesta, dalla capacità desiderata e dalla durata del ciclo di vita.

Per scegliere la batteria giusta per il tuo prossimo sistema embedded con antenna in ceramica o PCB, dovrai considerare queste caratteristiche elettriche, così come il costo e le dimensioni fisiche per i diversi tipi di batterie presenti sul mercato. Ecco cosa devi sapere quando confronti le batterie agli ioni di litio e quelle al litio-ferro-fosfato.

Batterie al litio-ferro-fosfato o agli ioni di litio

I materiali per le batterie al litio hanno caratteristiche di sovrapposizione. La chimica è simile, così come i materiali utilizzati per produrle. In realtà, entrambe le batterie funzionano tramite reazioni elettrochimiche reversibili che coinvolgono ioni di litio, quindi entrambe dovrebbero essere chiamate batterie Li-Ion (sebbene coloro che lavorano nell'industria dei materiali non fanno nemmeno la distinzione). Tuttavia, le differenze sono notevoli e di conseguenza appartengono a due categorie diverse, sebbene il materiale sia simile.

Entrambe le batterie utilizzano un anodo di grafite, che può conservare quantità piuttosto grandi di ioni di litio durante la carica. La differenza non sta nell'anodo, ma nell'interazione con gli ioni di litio nel catodo. Il fattore che limita la velocità delle batterie agli ioni di litio rispetto alle batterie al litio-ferro-fosfato è il desorbimento e la successiva riduzione al catodo, che rappresenta le differenze di capacità, velocità di scarica e tensione di uscita. Il litio-ferro-fosfato è una tipologia più recente di batteria che sta ottenendo il riconoscimento nelle industrie manifatturiere grazie ai suoi materiali meno tossici e meno costosi, così come la stabilità alle alte temperature.

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Batteria Li-Ion o Li-fosfato? Bisogna scegliere bene l’abbinamento tra sistema embedded con antenna in ceramica o PCB, e corretto sistema di alimentazione.

Se stai leggendo questo post su un nuovo smartphone o laptop, allora probabilmente devi ringraziare una batteria ai polimeri di litio o agli ioni di litio. Ecco alcune delle principali differenze tra le batterie al litio-ferro-fosfato e quelle agli ioni di litio:

Li-Ion

Quando la maggior parte delle persone parla delle batterie Li-Ion, potrebbe riferirsi a qualsiasi tipo di batteria agli ioni di litio. La più comune usata è l'ossido di litio cobalto (LiCoO2). Queste batterie al litio hanno in comune il catodo. Ecco alcune caratteristiche delle batterie agli ioni di litio:

  • Tensione: 3,6 V nominale, con intervallo di 3,0 - 4,2 V.
  • Energia specifica: 150 - 200 Wh/kg
  • Tasso di carica: 0,7 C - 1 C. Una carica superiore a 1 C causa la crescita dello strato di elettrolito solido interfase (SEI) sull'anodo durante la carica, che intrappola il litio e riduce la capacità nel tempo. Il tasso di carica è la prima cosa che si esaurisce nelle batterie all'ossido di litio cobalto.
  • Velocità di scarica: 1 C. Potresti non conoscere il tasso “C”. Indica che se la batteria ha una capacità di 2400 mAh, può scaricarsi con una corrente massima di 2,4 A senza subire danni.
  • Ciclo di vita: 500 - 1.000 cicli. Il ciclo di vita dipende molto dalla temperatura di esercizio, dalla profondità di scarico (DoD) e dal tasso di carica (vedi sopra).
  • Instabilità termica: 150 °C. È per questo motivo che le batterie prendono fuoco o esplodono.
  • Intervallo di temperatura di carica: 0 - 40 °C
  • Intervallo di temperatura di scarica: -25 - 60 °C. Nota che l'ossido di litio cobalto si carica e scarica molto lentamente a basse temperature.

Litio-ferro-fosfato

Il litio-ferro-fosfato ha un catodo di fosfato di ferro. Queste batterie hanno una tensione di uscita e un'energia specifica inferiore rispetto alle batterie al litio cobalto. Tuttavia, queste batterie hanno un tasso di scarica e una durata di vita molto più elevata:

  • Tensione: 3,2 o 3,3 V nominale, con intervallo di 2,5 - 3,65 V.
  • Energia specifica: 90 - 120 Wh/kg
  • Tasso di carica: 1 C
  • Velocità di scarica: 1 - 25 C, con possibilità di impulsi di 40 A.
  • Ciclo di vita: 1.000 - 10.000 cicli, fortemente dipendenti dalla temperatura.
  • Instabilità termica: 270 °C
  • Intervallo di temperatura di carica: 0 - 45 °C
  • Intervallo di temperatura di scarica: -20 - 60 °C.

Confronto

Quando confrontiamo le celle delle batterie al litio-ferro-fosfato e quelle agli ioni di litio, notiamo immediatamente che le batterie Li-Ion hanno un'energia specifica più elevata, ma un tasso di scarica inferiore. Ciò significa che gli ioni di litio sono una buona scelta per i dispositivi portatili che necessitano di energia e devono assorbire un flusso costante di corrente a tensione relativamente bassa. Un’elevata velocità di scarica delle batterie al litio-ferro-fosfato indica che possono fornire grandi scariche di corrente ed essere ricaricate velocemente. La velocità di scarica entra in gioco in applicazioni come i motori elettrici. La bassa velocità di scarica degli ioni di litio di 1 C non è nulla in confronto ai Li-fosfati che possono arrivare fino a 25 C.

Oltre alla durata del ciclo di vita tipicamente più lunga, l'importante differenza tra questi due tipi di batterie è visibile nell’instabilità termica. Uno dei guasti durante la scarica e la ricarica rapida della batteria è l’instabilità termica, dove la velocità con cui il calore viene generato a causa della resistenza dei terminali negli elettrodi supera la velocità con cui viene dissipato nell'ambiente circostante. Quando la temperatura interna della batteria supera un livello critico, la batteria entra in instabilità termica.

phone that’s been badly burned

Guasto catastrofico in una batteria agli ioni di litio che potrebbe danneggiare un sistema embedded come i GPS con antenna in ceramica o PCB.

Poiché il litio-ferro-fosfato ha una temperatura di instabilità termica più elevata, può essere utilizzato in ambienti più caldi con meno rischi. Un altro vantaggio riguarda i materiali utilizzati nel catodo. Come avrai notato, le batterie all'ossido di litio cobalto contengono cobalto, che è altamente tossico e crea problemi etici in merito all'approvvigionamento.

L'alto contenuto di energia degli ioni di litio lo rende vulnerabile a fenomeni come le esplosioni. Molteplici modalità di guasto rendono difficile coprire tutte le basi sulle batterie Li-Ion. Ad esempio, nell'elettronica portatile il ciclo dipende dalla frequenza con cui l'utente scarica e ricarica il proprio dispositivo. Il destino della batteria è nelle mani dell’utente finale che non ha alcuna conoscenza delle modalità di guasto della batteria. Ovviamente non è detto che questo guasto si verifichi, ma è meglio prevenire che curare. Ha una densità di energia più bassa e una chimica più stabile. Ciò significa che non brucerà, anche se dovesse guastarsi. Nel complesso, le batterie al Li-fosfato sono molto più sicure delle batterie agli ioni di litio.

Nonostante la sicurezza e l'alta velocità di scarica delle batterie al litio-ferro-fosfato rispetto alle batterie agli ioni di litio, un Li-Ion può immagazzinare più energia per kg di batteria, ma non perché l'anodo immagazzina necessariamente più litio. Quando progetti dispositivi elettronici portatili, come sistemi GPS embedded con antenna in ceramica o PCB, le dimensioni contano. Le batterie agli ioni di litio possono immagazzinare fino al doppio dell'energia per kg rispetto al litio-ferro-fosfato e fa un’enorme differenza quando si cerca di raggiungere obiettivi rigorosi in termini di spazio e capacità della batteria.

Applicazioni

Se sei una persona stabile che cerca la sicurezza e l'affidabilità, o se lavori in un settore in cui la sicurezza e l'affidabilità sono di primaria importanza, il Li-fosfato è la scelta adatta per le batterie ricaricabili. È la soluzione migliore per applicazioni come i veicoli elettrici (EV) o dispositivi medici dove un guasto catastrofico non è un'opzione. I motori EV beneficeranno anche dell'alto tasso di scarica delle batterie al Li-fosfato.

Invece, se sei una persona avventurosa e vuoi divertirti nella vita, ti occorrerà una batteria agli ioni di litio per i tuoi dispositivi. Telefoni cellulari, computer, dispositivi GPS embedded con antenna in ceramica o PCB e macchine fotografiche necessitano di tutta l’energia possibile. Di solito hanno anche una durata di circa 2 anni, che gli ioni di litio possono eguagliare o superare.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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