Batteria agli ioni di litio SMC-S-018 per applicazioni su veicoli di lancio

Pubblicato dal Centro per i Sistemi Spaziali e Missilistici (SMC) dell'U.S. Air Force Space Command "Lo standard SMC-S-018, "Batterie agli ioni di litio per applicazioni su veicoli di lancio", descrive i requisiti e le linee guida per lo sviluppo, il collaudo, lo stoccaggio, l'elaborazione e l'uso di celle e batterie agli ioni di litio per applicazioni su veicoli di lancio, compresi booster e stadi superiori.

La conformità a questo standard ha lo scopo di garantire un prodotto altamente affidabile per ottenere le adeguate prestazioni della batteria durante la missione. Le batterie agli ioni di litio sono una tecnologia emergente che finora è stata poco utilizzata nei veicoli di lancio. Sono più interessanti rispetto alle batterie primarie più comunemente utilizzate perché le prestazioni elettriche complete, tra cui la regolazione della tensione e la capacità, possono essere verificate direttamente nell'hardware di volo prima dell'uso. Si prevede che questi standard verranno aggiornati man mano che queste batterie verranno utilizzate e che si trarranno insegnamenti specifici dalle sfide della tecnologia agli ioni di litio.

Il presente standard, unitamente alle citazioni associate, è destinato a essere utilizzato come riferimento nelle specifiche applicabili ai veicoli di lancio o in altri documenti per includere i requisiti e le pratiche comuni necessari per garantire il corretto funzionamento della batteria durante i lanci spaziali.

I requisiti qui riportati mirano ad integrare e chiarire quanto affermato nella norma MIL STD 1540E in merito all'uso di batterie agli ioni di litio nei veicoli di lancio. Inoltre, il sito di lancio è stato preparato in modo da non entrare in conflitto con i requisiti di sicurezza del sistema o con quelli di sicurezza della gittata per l'uso di batterie agli ioni di litio nei sistemi di terminazione del volo. Tuttavia, per qualsiasi utilizzo previsto delle batterie agli ioni di litio nei siti di lancio o nei sistemi di terminazione del volo, è necessario consultare la documentazione relativa all'autonomia.

L'aggiunta di elettrolita a una cella della batteria costituisce l'attivazione della cella stessa e la cella attivata per prima determina l'inizio della durata utile della cella, del modulo o della batteria. Le celle agli ioni di litio vengono attivate nell'impianto di produzione durante la produzione delle celle. Dopo l'attivazione, le celle agli ioni di litio solitamente vengono sottoposte a diversi cicli di carica/scarica per condizionare la superficie degli elettrodi e stabilizzarne la capacità.

Una batteria è un insieme di celle o moduli collegati elettricamente in serie per fornire la tensione e la capacità desiderate. In genere, le celle sono fisicamente integrate in un unico gruppo (o batteria) oppure in più gruppi separati (o moduli) collegati in serie. La batteria può anche includere componenti quali componenti elettronici di controllo della carica, fusibili, filtri, resistori di isolamento, dispositivi di bypass elettrico, riscaldatori, sensori di temperatura, termostati, interruttori termici, controllori termici e dispositivi di sicurezza. Questi dispositivi servono a monitorare lo stato di salute della batteria e a impedirne il funzionamento non sicuro, che potrebbe arrecare danni al personale o comprometterne le prestazioni.

La durata di vita di una cella o di una batteria è il periodo di tempo massimo per cui la cella o la batteria può essere utilizzata, definito a partire dalla data di fabbricazione della cella più vecchia della batteria.

La capacità della batteria si misura in unità di ampere-ora e watt-ora. La capacità effettiva in ampere-ora per una data condizione è uguale all'integrale della corrente di scarica dall'inizio della scarica di una batteria completamente carica (vale a dire caricata al limite massimo di tensione consentito dalla velocità di carica e dalla temperatura nominali) fino al raggiungimento del limite di tensione utilizzabile più basso. La capacità effettiva in wattora per una data condizione è uguale all'integrale del prodotto della corrente di scarica per la tensione dall'inizio della scarica di una batteria completamente carica fino al raggiungimento del limite di tensione utilizzabile più basso.

La capacità effettiva della batteria deve essere indicata in entrambe le unità per facilitare le valutazioni del bilancio energetico, le valutazioni termiche e il confronto tra diversi tipi di batteria. Per le celle agli ioni di litio, la capacità misurata può dipendere fortemente dalla tensione di fine carica, dal limite della tensione di scarica, dalla temperatura durante la carica e la scarica e dalla corrente utilizzata durante la carica e la scarica. Pertanto, è importante mantenere queste variabili quando si confrontano le variazioni di capacità durante il ciclo di vita e selezionare i valori in base all'utilizzo nel caso peggiore durante le operazioni a terra (per la carica) e il servizio (per lo scarico).

La capacità operativa della batteria si misura in unità di ampere-ora e watt-ora. È uguale allo stesso integrale dei valori dall'inizio della scarica di una batteria completamente carica fino al raggiungimento del limite di tensione utilizzabile più basso per il controllo della carica in servizio e le condizioni di carico. Tuttavia, per mantenere la durata del ciclo e rispettare i limiti minimi di tensione del bus, i limiti di tensione superiore e inferiore possono essere più conservativi di quelli consentiti dalla progettazione della cella. Pertanto la capacità operativa è sempre inferiore o uguale alla capacità effettiva della cella o della batteria.

La capacità nominale della batteria è misurata in unità di ampere-ora e watt-ora. La capacità nominale della batteria è indicata dal fornitore della batteria o della cella e solitamente è inferiore alla capacità effettiva. Spesso i produttori forniscono una capacità in eccesso rispetto al valore nominale per compensare la variabilità dei lotti e le perdite di capacità previste durante il ciclo di vita della batteria.

Una cella di batteria è un singolo dispositivo all'interno di un singolo involucro che converte l'energia chimica in energia elettrica a una tensione caratteristica quando viene scaricata a una velocità nominale. Di solito le celle della batteria sono collegate elettricamente in serie per creare una batteria con la tensione desiderata. Le celle della batteria possono essere collegate in serie o in parallelo per creare un modulo che aumenta la capacità, la tensione e la corrente oltre i limiti della cella. In questi casi, i moduli vengono collegati in serie per formare una batteria.

La progettazione delle celle tiene conto di fattori che determinano le prestazioni uniche delle stesse, tra cui le dimensioni e il numero di elettrodi, il tipo e la porosità dei separatori, la composizione e il volume dell'elettrolita, il tipo di materiale attivo negli elettrodi positivo e negativo, la lega del collettore di corrente, la struttura del terminale della cella e i dispositivi di sicurezza e di trasferimento del calore all'interno delle celle. Le celle agli ioni di litio utilizzano in genere una struttura avvolta costituita da un singolo elettrodo lungo, positivo e negativo, oppure una struttura prismatica costituita da piastre di elettrodi positivi e negativi alternati.

Un ciclo di carica è definito come lo scaricamento di una parte significativa della capacità nominale della cella o della batteria, seguito dalla ricarica fino allo stato di carica iniziale. La scarica può essere il risultato della carica elettrica o dell'autoscarica della cella o della batteria.

La durata di carica di una batteria è il tempo che intercorre dal completamento della carica fino a quando è necessaria la ricarica per compensare le perdite di capacità dovute all'autoscarica.

Il ciclo di vita di una cella o di una batteria è il numero massimo di cicli di carica che la cella o la batteria può effettuare prima che si verifichino perdite irreversibili di prestazioni. La durata del ciclo può variare in base all'applicazione e deve essere verificata mediante test di qualificazione.

La nostra organizzazione, che da anni si impegna a supportare le aziende di ogni settore con un'ampia gamma di studi di prova, misurazione, analisi e valutazione, si avvale di uno staff solido che segue da vicino gli sviluppi nel mondo nel campo della scienza e della tecnologia e si migliora costantemente. In questo contesto vengono forniti anche servizi di collaudo alle aziende, in conformità allo standard “SMC-S-018 Batteria agli ioni di litio per applicazioni su veicoli di lancio”.