Perché la densità di energia è importantes nel mercato dei droni/UAV
La crescita esponenziale del settore dei droni dipende in modo significativo dai progressi nella tecnologia delle batterie. La densità di energia ultra-elevata sta diventando un fattore critico per alimentare voli più lunghi e applicazioni più versatili.
Una maggiore densità di energia significa che i droni possono volare più a lungo e trasportare più peso. Questa capacità è fondamentale per espandere gli usi dei droni oltre la fotografia per includere il trasporto, la sorveglianza e il monitoraggio ambientale.
Vantaggi per i droni commercialis & Impatto ambientale
I droni commerciali, in particolare quelli utilizzati nella consegna dei pacchi e nelle ispezioni industriali, traggono enormi benefici dalle batterie ad alta densità di energia. Possono percorrere distanze più lunghe con una singola carica, il che li rende più efficaci ed economicamente-efficienti.
Le batterie ad alta densità di energia sono anche più rispettose dell’ambiente. Durano più a lungo e riducono la frequenza di sostituzione delle batterie, diminuendo l'impatto ambientale delle operazioni dei droni.
Qual è la densità energetica della batteria?
La densità energetica è la quantità di energia immagazzinata nell'unità di spazio o nell'unità di massa della materia. La densità di energia di una batteria è la quantità di energia elettrica rilasciata dall'unità media di volume o massa della batteria, che generalmente è divisa in due dimensioni: densità di energia ponderale e densità di energia volumetrica.
La densità energetica del peso della batteria può essere calcolata semplicemente con questa formula: Voltaggio nominale (V) * Capacità nominale (Ah) / Peso della batteria (kg)=energia specifica o densità di energia (Wh/kg).
La densità energetica dei diversi tipi di batterie ricaricabili è la seguente:
La densità energetica della batteria al piombo varia tra 50-70 Wh/kg;
La densità energetica della batteria al nichel-cadmio varia tra 50 e 80 Wh/kg;
La densità energetica della batteria al nichel-metallo idruro varia tra 60 e 140 Wh/kg;
La densità energetica della batteria agli ioni di litio- varia tra 150 e 300 Wh/kg;
Le batterie al piombo-hanno una bassa densità di energia. Se vengono utilizzate per guidare un’auto familiare per più di 200 km, è necessaria quasi 1 tonnellata di batterie, che è troppo pesante per essere utilizzata come fonte di energia per i veicoli elettrici. Un altro motivo è che il Pb è tossico, non rispettoso dell'ambiente e le prestazioni del ciclo delle batterie al piombo-acido sono scarse. Considerando che la densità energetica delle batterie agli ioni di litio- è di circa 150~300 Wh/kg, che è molto superiore a quella delle batterie al piombo-acido, così come le prestazioni del ciclo, quindi le batterie agli ioni di litio-sono la scelta migliore per lo sviluppo di veicoli elettrici a nuova energia.
Attualmente, sul mercato esistono due percorsi tecnici principali per le batterie al litio ad alta-energia-densità: batterie economiche LiFePO4 e batterie al litio nichel manganese cobalto ossido (NMC) di fascia medio-alta-e-alta-.
Nel 2015, le batterie LiFePO4 erano la corrente principale del mercato. A quel tempo, la densità energetica della maggior parte dei sistemi di batterie LiFePO4 sul mercato era di circa 70-90 Wh/kg, mentre la densità energetica delle batterie NMC era molto più elevata, raggiungendo i 130 Wh/kg. Per aprire rapidamente il mercato delle autovetture, sensibile all’autonomia, nel 2016 il governo cinese ha proposto per la prima volta di prendere la densità energetica della batteria come indicatore di riferimento nella nuova politica di sussidi per i veicoli energetici. Maggiore è la densità energetica, maggiori saranno i sussidi. La struttura del mercato delle batterie LiFePO4 e delle batterie NMC ha iniziato a cambiare e le principali case automobilistiche hanno iniziato a sostituire le batterie NMC su larga scala. Da giugno 2019, con la revoca dei sussidi e gli elevati costi di produzione delle batterie al litio NMC, le batterie LiFePO4 sono tornate ad essere la principale soluzione energetica sul mercato. Per adattarsi allo sviluppo del mercato, tutti i grandi produttori di batterie hanno avviato una strategia a due linee di LiFePO4 + NMC. Ora la batteria LiFePO4 ha raggiunto una densità energetica di 210Wh/kg.
Quale limiteedILdensità energetica delle batterie ai polimeri di litio?
Ci sono quattro parti fondamentali di una batteria al litio: anodo, catodo, elettrodo e diaframma, che influiscono tutti sulla densità energetica della batteria. E gli elettrodi sono i luoghi in cui avvengono le reazioni chimiche. La chiave per migliorare la densità energetica delle batterie è sviluppare nuovi materiali per gli elettrodi e migliorare i processi di produzione.
Da quanto sopra possiamo sapere che la densità energetica delle batterie al litio composte da LiFeO4 e dal materiale ternario Ni Co Mn è molto diversa. Rapporti diversi di Ni, Co e Mn nei materiali ternari causeranno anche differenze nelle prestazioni della batteria. Maggiore è la percentuale di Ni, maggiore è la capacità specifica della batteria. Le batterie con sistema a catodo positivo ad alto contenuto di Ni attualmente promosse hanno una densità di energia di massa compresa tra 240 e 300 Wh/kg (densità di energia in volume 560 Wh/L-650 Wh/L).
Il materiale anodico principale nel mercato delle batterie al litio è principalmente la grafite (materiale a base di carbonio-), ma l'attuale stoccaggio di energia dei materiali a base di carbonio- è vicino al limite superiore teorico. La capacità specifica dei materiali anodici a base di silicio- può raggiungere 4200 mAh/g, che è molto superiore alla capacità specifica teorica degli anodi di grafite di 372 mAh/g. Con l'introduzione dell'anodo di silicio-carbonio, la densità di energia di massa della cella della batteria verrà aumentata a 300-400 Wh/kg (densità di energia in volume 630 Wh/L-750 Wh/L), diventando così un potente sostituto dell'anodo di grafite.
Conclusione
Il futuro sembra promettente con la potenziale integrazione di tecnologie, che potrebbero aumentare ulteriormente la densità energetica delle batterie dei droni. La densità di energia ultra-elevata nelle batterie dei droni non rappresenta solo un miglioramento tecnico, ma anche un cambiamento di trasformazione che alimenterà la prossima generazione di droni. Man mano che questa tecnologia avanza, sbloccherà nuove possibilità e ridefinirà ciò che i droni sono in grado di ottenere. Prepariamoci all'arrivo di una nuova generazione nel prossimo futuro!
