Come funziona una batteria agli ioni di litio?

Le batterie al litio alimentano molti dispositivi elettronici, dai computer portatili ai telefoni, fino ai sistemi di accumulo di energia. La loro struttura leggera le rende ricche di energia e allo stesso tempo ricaricabili per garantire la massima longevità e affidabilità.

Le batterie agli ioni di litio possono essere pericolose se smaltite; scopri come riciclarle in modo sicuro qui. L'ossido di litio-cobalto (LiCoO2) e altri materiali di intercalazione sono spesso utilizzati al posto del litio metallico elementare per la costruzione di batterie agli ioni di litio.

Che cos'è una batteria agli ioni di litio?

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono ampiamente utilizzate nei dispositivi elettronici che richiedono un'elevata capacità di accumulo di energia, tra cui telefoni cellulari e computer portatili, giocattoli, utensili elettrici portatili e piccoli elettrodomestici come utensili elettrici portatili e giocattoli, nonché veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia. Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente conosciute per la loro lunga durata, l'alta densità di energia e le buone capacità di carico, nonché per la loro longevità; a differenza delle tecnologie rivali - nichel-cadmio o nichel-metallo-idruro - non si degradano con l'uso regolare come altre tecnologie ricaricabili come il nichel-cadmio o le tecnologie basate sul nichel-metallo-idruro come il nichel-cadmio o il nichel-metallo-idruro.

Le batterie al litio producono elettricità facendo passare gli ioni di litio tra l'elettrodo negativo o anodo e l'elettrodo positivo o catodo attraverso una soluzione elettrolitica, creando elettricità. Hanno una delle densità energetiche più elevate tra le tecnologie di batterie ricaricabili: forniscono circa 300 Wh/kg rispetto ai circa 75 Wh/kg delle altre tecnologie.

Le batterie agli ioni di litio contengono diversi componenti che le rendono sicure e affidabili, come il separatore che impedisce alle celle di toccarsi. Inoltre, questa batteria è dotata anche di un circuito di regolazione della tensione e di un monitor dello stato di carica per regolare il flusso di energia in entrata e in uscita.

I materiali attivi presenti nelle batterie - quelli che costituiscono il catodo e l'anodo - possono essere composti da vari elementi o composti; alcune delle opzioni più popolari includono l'ossido di cobalto di litio (LiCoO2), l'ossido di manganese di litio e il fosfato di ferro di litio. L'energia specifica e la potenza specifica forniscono indicazioni importanti per la scelta della chimica delle batterie; esse misurano rispettivamente la capacità e la capacità di carico.

Altre considerazioni fondamentali al momento dell'acquisto delle batterie sono le caratteristiche fisiche, come le dimensioni, la forma e il peso. Anche il tipo di chimica scelta può avere un impatto, poiché diversi materiali catodici hanno una durata o un'efficienza maggiore rispetto ad altri. Per esempio, le batterie NMC combinano il nichel manganese cobalto nei loro anodi per ottenere un equilibrio ottimale tra prestazioni e costi; la loro struttura resiste meglio alle sollecitazioni meccaniche e presenta un'elevata capacità di corrente di carica che consente tempi di ciclaggio più brevi senza perdita di capacità.

Come funziona una batteria agli ioni di litio?

Le batterie agli ioni di litio alimentano la maggior parte dei computer portatili, dei telefoni cellulari e di altri dispositivi elettronici di consumo; hanno anche guadagnato una quota di mercato crescente per le applicazioni per camper, barche e cicli profondi. Ma cosa sono esattamente le batterie agli ioni di litio? Funzionano in modo diverso dalle tradizionali celle al piombo e al nichel-cadmio: gli ioni di litio si muovono tra gli elettrodi positivi (catodi) e quelli negativi (anodi), producendo una corrente elettrica che alimenta il dispositivo.

Le batterie agli ioni di litio sono composte da tre parti principali: anodo, catodo ed elettrolita. L'anodo è tipicamente costituito da grafite per la sua eccellente conduttività, mentre il catodo può essere costituito da ossido di litio e cobalto (LiCoO2) o da ossidi metallici di litio e ferro (LiFePO4); entrambi gli elementi sono separati da un separatore che lascia passare solo gli elettroni.

Le batterie cariche utilizzano ioni di litio che si muovono attraverso un elettrolita e un separatore dal catodo all'anodo; gli elettrodi positivi e negativi sono entrambi ricoperti di materiali attivi (essenzialmente sali) per il trasferimento della carica; quando inizia la scarica, gli ioni di litio dall'anodo si muovono verso il catodo per formare legami di carbonio con esso e formare cariche elettriche negative che allontanano gli elettroni da qualsiasi dispositivo alimentato dalla batteria.

La tecnologia delle batterie agli ioni di litio si distingue dalle altre tecnologie per il suo processo reversibile. Gli ioni vengono immagazzinati all'interno degli anodi di grafite tramite intercalazione, una reazione di inserimento con proprietà altamente reversibili che rendono l'anodo estremamente resistente alla degradazione e ai cicli.

Le batterie agli ioni di litio offrono densità energetiche elevate rispetto ad altre tecnologie, grazie alla loro capacità di immagazzinare più ioni di litio. Inoltre, grazie ai minori tassi di autoscarica, durano più a lungo tra una ricarica e l'altra: questa caratteristica rende le batterie agli ioni di litio ideali per i computer portatili e i telefoni cellulari che vengono utilizzati di frequente.

Quali sono i diversi tipi di batterie agli ioni di litio?

Le batterie agli ioni di litio sono diventate una delle tecnologie di batterie ricaricabili più diffuse per i dispositivi elettronici di consumo, grazie alla loro maggiore densità energetica, alle tensioni di cella da moderate a elevate e al peso ridotto rispetto ad altre chimiche di batterie. Si prevede che gli ioni di litio supereranno gli altri tipi di batterie anche nelle applicazioni per i trasporti e l'accumulo di energia.

Prima che le batterie agli ioni di litio guadagnassero popolarità, le batterie ricaricabili al nichel-cadmio (NiCad) erano la principale tecnologia di batterie ricaricabili. Le NiCad utilizzano come elettrodi materiali come l'idrossido di nichel e il cadmio metallico, ma stanno rapidamente diventando obsolete con l'affermarsi sul mercato delle batterie agli ioni di litio.

Le batterie agli ioni di litio sono disponibili in diverse varietà e le batterie all'ossido di cobalto di litio (LCO) sono tra le più diffuse. Le LCO offrono un'elevata densità energetica e sono ampiamente utilizzate in dispositivi mobili come tablet, computer portatili e fotocamere digitali, oltre che nei veicoli elettrici.

La batteria LCO presenta un elettrolita non acquoso composto da carbonati organici come il carbonato di etilene e di propilene, contenenti complessi di ioni di litio. Viene conservata in un contenitore ermetico per eliminare l'intrusione di umidità. Come tutte le batterie, le sue prestazioni si degradano nel tempo con l'uso; gli ambienti caldi e freddi accelerano questo tasso di degradazione, così come i cicli di sovraccarico/scarico che superano i limiti di capacità.

Le batterie al nichel manganese cobalto ossido (NMC) sono un tipo innovativo di batteria agli ioni di litio, nota per la sua sicurezza e la sua lunga durata, spesso utilizzata nei veicoli elettrici o in altre applicazioni ad alte prestazioni.

Oltre a differire per dimensioni e forma, le batterie agli ioni di litio variano notevolmente anche per la loro composizione. Alcuni modelli sono dotati di involucro metallico, mentre altri utilizzano un involucro di plastica o addirittura la tecnologia allo stato solido.

Un veicolo elettrico (EV) necessita di una batteria agli ioni di litio e di un sistema di gestione della batteria (BMS), con quest'ultimo che ha lo scopo di prevenire la sovraccarica e il cortocircuito, di monitorare i dati sullo stato/le prestazioni della batteria a scopo di reportistica e di fornire al sistema informatico le informazioni necessarie per un funzionamento sicuro dell'EV.

Quali sono i vantaggi delle batterie agli ioni di litio?

Le batterie agli ioni di litio possiedono la più alta densità di energia di tutte le batterie chimiche attuali, il che le rende la soluzione ideale per i moderni dispositivi elettronici miniaturizzati e cordless. Inoltre, le celle agli ioni di litio non contengono i metalli tossici presenti nelle celle al nichel-cadmio e al piombo, il che le rende più sicure da maneggiare e smaltire al termine della loro vita utile.

Sono molto più leggere di altri tipi di batterie grazie alla combinazione di carbonio e litio come materiali elettrodici, in quanto il litio può essere immagazzinato ad alte densità all'interno degli anodi di grafite o dei catodi LiCoO2 - uno ione di litio per ogni sei atomi di carbonio - prima di passare al catodo durante la scarica; gli ioni di litio si combinano poi con gli elettroni per generare l'elettricità che alimenta i nostri telefoni e le nostre fotocamere digitali.

Le batterie agli ioni di litio si distinguono dagli altri tipi di batterie per il fatto che mantengono la carica molto più a lungo, perdendo in genere solo il cinque per cento circa ogni mese. Un tipico pacco agli ioni di litio perde solo il 5% circa.

Con l'aumento della domanda di elettronica portatile, di veicoli elettrici puri e di stoccaggio stazionario, la densità energetica delle batterie agli ioni di litio deve aumentare ulteriormente per poterla soddisfare. Una sfida importante è rappresentata dall'aumento della capacità dei materiali anodici in carbonio duro o grafite; il silicio ha la capacità teorica più elevata (372 mAh g-1), ma a causa della scarsa stabilità ai cicli è difficile da implementare in una cella elettrochimica.

I ricercatori stanno esplorando nuovi materiali da utilizzare come catodi e anodi delle batterie agli ioni di litio, e i polimeri conduttori sono tra le prime scelte. Tali polimeri includono la polianilina (PANI), il polipirrolo (PPY) e il politiofene (PT), che presentano un'elevata conduttività a temperatura ambiente e sono facili da lavorare in fogli sottili con costi bassi e processi di lavorazione minimi.

Le batterie agli ioni di litio si distinguono per la loro particolare resistenza all'instabilità termica rispetto ad altre chimiche di batterie, che potrebbe altrimenti portare a una pericolosa placcatura metallica del litio o a un incendio incontrollabile. Ciò è dovuto ai circuiti di protezione integrati in ogni cella, che impediscono alla tensione di picco di superare i limiti accettabili durante la carica o la scarica e monitorano le temperature delle celle per evitarne il surriscaldamento.