LiFePO4 e NMC: che cosa decide la chimica delle celle

Le due chimiche, e a che cosa si riferiscono i nomi

Entrambe sono batterie agli ioni di litio. Il nome che cambia si riferisce al catodo, l’elettrodo in cui il litio entra quando la cella si scarica. Nel LiFePO4 quel catodo è litio ferro fosfato, una struttura olivina in cui l’ossigeno è trattenuto da forti legami fosforo-ossigeno. Nell’NMC è un ossido stratificato di nichel, manganese e cobalto, dove l’ossigeno è tenuto da legami metallo-ossigeno più deboli.

Quella singola differenza di struttura spiega tutto il resto di questa pagina: quanto dura la cella, quanto deve scaldarsi prima di diventare pericolosa, quanta energia entra in un chilo e come si comporta dopo un inverno in cantina. I produttori quasi mai lo spiegano. Stampano un’etichetta di chimica e un numero di cicli e lasciano al lettore il compito di indovinare che cosa ne consegue.

Attenzione alle etichette. BLUETTI, Anker e Jackery scrivono LiFePO4 nelle loro tabelle, mentre EcoFlow scrive LFP. È la stessa chimica sotto due nomi. Nessuno dei due dice il formato della cella, il fornitore o la selezione, e nessuna delle quattro marche pubblica quei dati.

Perché i conteggi di cicli differiscono di più volte

Un ciclo invecchia una cella in due modi. Il reticolo del catodo si dilata e si contrae mentre il litio entra ed esce, e sull’anodo cresce una pellicola passivante che consuma litio in modo permanente. Il reticolo olivina del LiFePO4 cambia pochissimo di volume tra pieno e vuoto, quindi la fatica meccanica che crepa le particelle di ossido stratificato è in gran parte assente, e la cella conserva il litio utilizzabile molto più a lungo.

Il catalogo mostra lo scarto in modo netto. La Jackery Explorer 1000 è un pacco Lithium-ion dichiarato per 800 cicli a 80% di capacità residua. Il modello che l’ha sostituita, la Jackery Explorer 1000 v2, è passata a LiFePO4 ed è dichiarata per 4 000 cicli a 70% di capacità residua. Stesso produttore, stessa classe di taglia, stesso lavoro, e la cifra si è moltiplicata più volte. Va notato che quelle due cifre usano anche soglie diverse, cosa che la sezione seguente smonta.

In cima alla gamma i numeri vanno ancora oltre: 6 000 cicli a 80% di capacità residua per la BLUETTI Elite 200 V2. Vuol dire all’incirca una scarica al giorno per anni prima che il pacco arrivi alla soglia dichiarata. Per la maggior parte dei proprietari significa che non saranno le celle a mandare in pensione l’unità: ci arriveranno prima le prese, la ventola o il firmware.

Un conteggio di cicli senza la sua soglia non dice niente

Una durata in cicli non è un punto di guasto. È una soglia di degrado: dopo quel numero di cariche e scariche complete, ci si aspetta che il pacco conservi ancora una quota dichiarata della capacità iniziale. È proprio quella quota che quasi tutti saltano.

Sui suoi modelli al litio ferro fosfato Jackery dichiara la durata in cicli al 70% di capacità residua, ed è il motivo per cui la Jackery Explorer 1000 v2 riporta 4 000 cicli a 70% di capacità residua. BLUETTI, Anker e EcoFlow la dichiarano all’80%, quindi la BLUETTI Elite 100 V2 riporta 4 000 cicli a 80% di capacità residua. Le due cifre sembrano confrontabili e non lo sono. Arrivare al 70% richiede più tempo che arrivare all’80%, quindi lo stesso pacco ottiene un numero più grande con la convenzione di Jackery.

Per questo ogni specifica di questo sito porta con sé la propria soglia, e il confronto tra Elite 100 V2 e Explorer 1000 v2 è il posto più chiaro in cui vedere le due convenzioni una accanto all’altra.

Non tutti i produttori dichiarano la chimica. La Anker SOLIX C1000 Gen 2 riporta Non dichiarato nella tabella da cui questo sito legge, mentre la durata in cicli è indicata. È una cosa da notare invece che da dare per scontata.

Il calore, e che cosa succede quando una cella viene maltrattata

La fuga termica è una cella che si scalda più in fretta di quanto riesca a dissipare, di solito perché il catodo comincia a rilasciare ossigeno e alimenta la propria combustione. La temperatura a cui un catodo di ossido di nichel stratificato inizia a farlo è nettamente più bassa di quella a cui lo fa il ferro fosfato, e la cella al fosfato rilascia molto meno ossigeno quando ci arriva.

In pratica, un pacco LiFePO4 sovraccaricato, forato o messo in corto ha molte più probabilità di sfiatare, gonfiarsi e fermarsi che di bruciare con violenza. È la proprietà che ha reso accettabile questa chimica per una scatola che la gente lascia in carica in corridoio, in un camper, o accanto al letto con un apparecchio CPAP attaccato.

Questo non rende nessun pacco indifferente al calore. Una temperatura alta e prolungata resta il modo più veloce di invecchiare le celle, che venga dalla ricarica rapida, da un inverter a pieno carico o da un’auto chiusa al sole. In Italia l’auto chiusa d’estate e il balcone esposto a sud sono i due posti peggiori in cui lasciarla, e caricare sempre alla massima velocità è una piccola tassa permanente sulla durata in cicli.

Che cosa costa il LiFePO4: densità e peso

Una cella al ferro fosfato lavora a una tensione nominale più bassa di una al nichel manganese cobalto, all’incirca 3,2 volt contro 3,6 o 3,7, e immagazzina meno carica per unità di massa. L’energia è tensione per carica, quindi entrambi i termini si muovono nella direzione sbagliata insieme. Il risultato è che un pacco LiFePO4 di pari capacità è più pesante e più voluminoso, tipicamente di un quarto o più a livello di cella.

Il catalogo mostra il conto. La Jackery Explorer 1000 porta 1 002 Wh per 10,0 kg. La Jackery Explorer 1000 v2, al litio ferro fosfato, porta 1 070 Wh per 10,8 kg: un po’ più di energia per un po’ più di massa, con una durata in cicli molte volte superiore. I miglioramenti di impacchettamento hanno assorbito quasi tutta la penalità di densità tra quelle due generazioni, ma la direzione è reale.

Dove morde ancora è in cima alla gamma. La BLUETTI Elite 200 V2 immagazzina 2 073,6 Wh e pesa 24,2 kg, cioè un sollevamento a due mani e, su per le scale di un palazzo senza ascensore, spesso a due persone. Se l’unità verrà portata spesso invece che spostata su ruote o lasciata ferma, il peso è la caratteristica su cui ordinare, e la guida per l’appartamento spiega quanto pesi davvero quella soglia.

Restare a carica piena, che è quello che fanno quasi tutte

Una stazione di energia comprata per i blackout passa quasi tutta la vita piena e ferma. È l’invecchiamento di calendario, non il ciclaggio, a consumarla. Lo stato di carica alto è l’acceleratore principale: una cella tenuta al 100% sta alla sua tensione interna più alta, e questo alimenta le lente reazioni collaterali che consumano litio e fanno crescere la resistenza.

Il LiFePO4 regge tutto questo molto meglio, in parte perché la sua curva di tensione è piatta su quasi tutto l’intervallo di carica e la tensione a pieno è relativamente bassa. Un pacco NMC lasciato pieno a temperatura ambiente per un anno perde in modo permanente una quota sensibilmente maggiore della sua capacità. È la ragione per cui questa chimica si è presa il mercato della riserva domestica ancora prima che le cifre dei cicli diventassero un argomento di vendita.

Conseguenza pratica: un’unità LiFePO4 si può lasciare attaccata alla presa come riserva in continuità senza troppi sensi di colpa. Un’unità agli ioni di litio di vecchia generazione si conserva meglio a carica parziale, con un rabbocco ogni qualche mese.

Il freddo, dove il LiFePO4 è quello debole

È il compromesso che nessuno pubblicizza. Sotto lo zero, caricare una qualunque cella al litio rischia di depositare litio metallico sull’anodo invece di inserirlo nella struttura, che è un danno permanente e un rischio di corto circuito. I sistemi di gestione della batteria si rifiutano quindi di caricare sotto zero, e quasi tutte le unità di questo catalogo fanno esattamente così.

Il LiFePO4 qui è più sensibile dell’NMC, non meno. La sua resistenza interna sale più ripidamente al calare della temperatura, quindi sia la capacità utilizzabile sia la potenza disponibile calano prima al freddo. Scaricare funziona comunque bene sotto zero, con meno capacità; è la ricarica l’operazione che viene bloccata.

La trappola pratica è conservare l’unità in un box, in una cantina o in un garage non riscaldato in attesa dei blackout invernali, il che la mette al suo punto più freddo esattamente quando serve. In Italia questo vale per tutto il nord e per l’Appennino, dove un locale non riscaldato va sotto zero per settimane. Va portata dentro casa, oppure va accettato che restituisca meno di quanto il calcolatore di autonomia suggerisca e che rifiuti l’ingresso solare in una mattina gelata finché non si scalda.