Come funzionano le batterie al litio ricaricabili

Collegando una batteria a un computer portatile, a un telefono cellulare o a una fotocamera digitale, l'energia elettrica fluisce tra gli elettrodi positivi e negativi attraverso reazioni chimiche, fornendo energia elettrica che può essere trasformata in attività utili, come il funzionamento di motori o lampadine.

Le batterie al litio alimentano i nostri dispositivi elettronici portatili di consumo e sono utilizzate anche nelle auto elettriche e nelle applicazioni di stoccaggio dell'energia.

Costo

Le batterie al litio ricaricabili alimentano molti prodotti di consumo, dai telefoni cellulari ai computer portatili, oltre a numerosi sistemi di accumulo energetico industriali e residenziali. Il loro vantaggio principale rispetto alle tradizionali batterie al piombo è la maggiore densità energetica; il loro meccanismo principale utilizza un processo di scambio ionico per trasferire energia tra i terminali positivi e negativi. Tuttavia, poiché la loro resistenza interna aumenta con i cicli e l'età, un sistema di gestione delle batterie (BMS) impedisce che raggiungano uno stato non sicuro.

Le batterie agli ioni di litio sono note per le loro dimensioni compatte e la loro leggerezza, che le rendono un'opzione eccellente per le applicazioni mobili. Utilizzate in utensili portatili come trapani, seghe e levigatrici, garantiscono un uso prolungato senza perdere la carica o doverle sostituire, senza contare che sono più ecologiche delle alternative non ricaricabili.

La riduzione dei costi della tecnologia, l'aumento della domanda di veicoli elettrici e la diminuzione dei costi di produzione hanno giocato un ruolo fondamentale. Ma le batterie al litio costano ancora di più delle loro controparti al piombo.

Un fattore che contribuisce a questa disparità di costi è rappresentato dagli elevati costi associati alle materie prime per la produzione delle batterie agli ioni di litio. Il litio e il cobalto, due metalli preziosi e tossici presenti nelle batterie, sono risorse rare e costose che devono essere reperite in tutto il mondo per produrre queste batterie. Con l'aumento e il conseguente calo della domanda di veicoli elettrici, i prezzi del litio dovrebbero scendere di pari passo con la diminuzione della domanda; inoltre, l'apertura di nuove fabbriche di batterie potrebbe sgonfiare ulteriormente i prezzi, spingendo il settore verso la competitività dei costi rispetto alle automobili tradizionali con motore a combustione interna (ICE).

Le considerazioni sul prezzo tengono conto anche del costo dei sistemi di gestione delle batterie (BMS), che aiutano a controllare le condizioni di sicurezza. Un BMS può evitare che le batterie si carichino troppo rapidamente, contribuendo così a garantirne l'affidabilità a lungo termine e a ridurre i costi complessivi.

Le batterie al litio ricaricabili sono onnipresenti nei prodotti di consumo e industriali, oltre a costituire la pietra miliare di un mercato in espansione come quello dei veicoli elettrici (EV). Poiché le preoccupazioni ambientali e il miglioramento dell'efficienza dei carburanti guidano la crescita di questo settore, la domanda di batterie agli ioni di litio continuerà ad aumentare nel tempo.

Sicurezza

Le batterie al litio ricaricabili sono comunemente presenti nell'elettronica di consumo portatile, nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo di energia solare, ma possono rappresentare un rischio di incendio se utilizzate, caricate o conservate in modo improprio. Se danneggiate o sovraccaricate, le batterie possono surriscaldarsi ed esplodere, provocando incendi che minacciano aziende, edifici e l'ambiente naturale: per questo motivo l'NFPA offre diverse risorse per promuovere un uso sicuro delle batterie al litio.

Le batterie al litio presentano elettrodi positivi in ossido di litio e cobalto (LiCoO2) ed elettrodi negativi in carbonio. Tra questi elettrodi si trova un separatore che consente agli ioni di passare liberamente attraverso un liquido elettrolitico; durante la carica, gli ioni di litio dal LiCoO2 si spostano verso il carbonio per creare una corrente elettrica; durante la scarica si spostano nuovamente verso il LiCoO2, accelerando potenzialmente questo processo a causa di sovraccarichi, danni meccanici o temperature estreme.

Gli incendi di batterie agli ioni di litio possono essere difficili da contenere per i vigili del fuoco e possono diffondersi rapidamente, causando danni ingenti a proprietà, edifici e all'ambiente naturale. Per questo motivo, è fondamentale sensibilizzare i dipendenti sulla corretta gestione, utilizzo, conservazione e ricarica delle batterie al litio.

Le batterie devono essere conservate in aree ben ventilate, poiché non reagiscono bene ad alti livelli di calore e umidità. Inoltre, i grandi depositi di batterie al litio (come quelli utilizzati nelle centrali elettriche e nei veicoli elettrici) devono essere tenuti separati dalle aree pubbliche per ridurre al minimo i rischi di incendio.

Scegliete sempre batterie al litio e caricabatterie certificati da un laboratorio di test riconosciuto a livello internazionale. Inoltre, tenete sotto controllo i dispositivi che utilizzano queste batterie e rimuovetele se hanno uno strano odore, mostrano segni di surriscaldamento, cambiano forma in modo significativo, perdono o fumano.

Aspettativa di vita

Le batterie al litio durano in genere più di 10 anni se correttamente caricate e mantenute. Sono ideali per utensili elettrici, computer portatili, tablet, veicoli elettrici e ausili per la mobilità, anche se la durata effettiva di una batteria al litio dipende da come viene caricata, conservata e utilizzata.

Le batterie al litio devono essere conservate in un ambiente fresco e asciutto, ricaricate dopo ogni utilizzo e mantenute a uno stato di carica (SoC) di 30-50% per prolungarne la durata ed estenderne l'aspettativa di vita.

Le batterie al litio sono progettate per funzionare in modo ottimale entro un determinato intervallo di tensione. L'esposizione a tensioni eccessive può avere effetti disastrosi sulle celle, riducendone la durata e aumentando i rischi per la sicurezza. Quando vengono caricate oltre le soglie di tensione raccomandate, gli ioni di litio iniziano a depositarsi in modo incontrollato sugli anodi, causando l'ispessimento degli strati SEI e la riduzione della capacità; in alcuni casi ciò può persino causare la rottura o l'esplosione delle celle!

La profondità di scarica (DoD) svolge un ruolo fondamentale nella longevità delle batterie al litio. Una scarica inferiore a 50% non solo riduce la durata di funzionamento, ma ostacola anche la capacità di mantenere la carica.

Per la manutenzione delle batterie al litio è necessario utilizzare un caricabatterie che si spenga automaticamente quando la batteria ha raggiunto la carica completa, per evitare un sovraccarico che potrebbe erodere i componenti interni e ridurre la durata del ciclo.

Evitate le temperature estreme che potrebbero influire negativamente sulla durata di vita delle batterie al litio, mantenendole a una temperatura compresa tra 20 e 25 gradi Celsius; è stato dimostrato che questo prolunga la loro vita fino a due volte di più rispetto al funzionamento in condizioni di freddo o di calore estremi.

Applicazioni

Le batterie al litio hanno molte applicazioni, dall'alimentazione dei telefoni cellulari e dei computer portatili alla fornitura di elettricità per i veicoli elettrici o l'accumulo di energia solare, fino alle applicazioni mediche come i pacemaker. Le batterie al litio sono molto più leggere di quelle al piombo e possono durare per lunghi periodi senza degradare le prestazioni o la capacità. Ogni batteria al litio è composta da un anodo, un catodo, un separatore e un elettrolita che ne costituiscono la struttura. Gli ioni di litio sono immagazzinati sia all'anodo che al catodo, mentre i collettori di corrente positivi e negativi sono separati dall'elettrolita. Durante la carica, una corrente elettrica scorre dal collettore di corrente positivo al collettore di corrente negativo. Quando gli ioni di litio attraversano l'elettrolito e interagiscono con l'anodo, rilasciano elettroni liberi che fluiscono verso i dispositivi alimentati, generando elettricità.

Le batterie al litio metallico sono state create per la prima volta da Akira Yoshino, Stanley Whittingham e John Goodenough e sono note come celle al litio metallico. Grazie alla loro leggerezza e all'elevata densità di energia, queste batterie al litio-metallo sono diventate rapidamente popolari per la loro natura leggera e per i requisiti di maneggevolezza. Purtroppo, però, le batterie al litio metallico devono essere maneggiate con cura, poiché il metallo reagisce con l'elettrolita formando dendriti che possono danneggiare le superfici esterne degli elettrodi, portando infine al cedimento dell'anodo nel tempo.

Gli anodi di grafite sono il tipo principale di anodo presente nelle batterie al litio e utilizzano l'intercalazione per immagazzinare gli ioni di litio tra gli strati di carbonio nella struttura della grafite sfusa. Questo permette agli ioni di litio di essere collocati tra gli strati di carbonio all'interno della sua struttura a scopo di stoccaggio, consentendo anodi sagomati con dimensioni e forme diverse; a differenza degli anodi di silicio che si legano al litio per aumentare la capacità durante i cicli di carica/scarica.

I ricercatori stanno esplorando nuovi materiali in grado di immagazzinare più ioni di litio rispetto agli anodi di grafite per aumentare la capacità delle batterie al litio, ma l'incorporazione di questi nuovi materiali richiede un lavoro e una ricerca significativi, dal momento che la formazione di batterie chimiche a celle complete richiede più fasi di ottimizzazione e sviluppo che possono richiedere mesi ed essere finanziariamente costose.