Che cos'è una batteria al litio?

Le batterie al litio sono comunemente utilizzate nell'elettronica di consumo, come i telefoni cellulari e i computer portatili, oltre che per alimentare utensili a batteria e veicoli elettrici. I loro vantaggi includono un'elevata densità di energia e una lunga durata rispetto alle batterie alcaline, oltre a essere complessivamente più sicure.

Queste batterie presentano collettori di corrente positivi e negativi, una soluzione elettrolitica e un separatore. Il processo di immagazzinamento dell'energia prevede l'intercalazione di ioni di litio in solidi a conduzione elettronica attraverso l'intercalazione reversibile di ioni di litio in materiali a conduzione elettronica.

Le batterie agli ioni di litio sono un tipo di batterie ricaricabili

Le batterie agli ioni di litio sono batterie ricaricabili che utilizzano ioni di litio per immagazzinare energia e sono diventate uno dei tipi più diffusi. È probabile che le batterie agli ioni di litio siano presenti in elettrodomestici come sveglie, torce, rasoi e telefoni cordless; anche i computer portatili e gli smartphone ne fanno uso. La loro immensa popolarità deriva dall'elevata densità di energia, che consente di racchiudere una maggiore quantità di energia in spazi più ridotti rispetto alle batterie tradizionali e ha permesso alle batterie agli ioni di litio di diventare molto più compatte e portatili rispetto alle loro controparti tradizionali.

Queste batterie contengono due elettrodi con un elettrolita tra di loro. Al momento della scarica, l'elettrodo negativo rilascia elettroni sull'elettrodo positivo e questi elettroni vengono raccolti da un circuito esterno per la raccolta di energia prima di essere immagazzinati come energia chimica nella batteria attraverso processi noti come intercalazione o deintercalazione.

Durante la carica, avviene l'opposto: gli elettroni da un elettrodo si trasferiscono all'elettrodo negativo attraverso le connessioni positivo-terra, producendo ioni che si spostano attraverso i canali dell'elettrolito verso l'esterno, dove possono essere raccolti dai collettori prima di essere nuovamente ricaricati dall'elettrodo positivo. Questo processo si ripete a ogni ciclo di carica/scarica.

Le batterie agli ioni di litio offrono molti vantaggi rispetto alle altre batterie chimiche, tra cui i costi più bassi, la maggiore densità energetica e la durata di vita più lunga. Inoltre, le batterie agli ioni di litio sono più sicure di quelle al piombo e più rispettose dell'ambiente, ma presentano comunque rischi di incendio dovuti alla facilità di cortocircuito e rischi di fuga termica che potrebbero causare il surriscaldamento della batteria e la sua esplosione.

Queste batterie sono disponibili in varie forme per adattarsi a diversi dispositivi. Esempi comuni di batterie al litio sono i formati cilindrici AAA, AA, C o D, nonché le forme personalizzate utilizzate da alcune fotocamere digitali e computer portatili. Inoltre, le batterie al litio si trovano anche in piccoli elettrodomestici, giocattoli per bambini, sigarette elettroniche e possono persino contribuire ad alimentare le auto elettriche! Anche se a volte è difficile distinguere le batterie al litio da altri tipi di batterie, la presenza della parola "litio" stampata da qualche parte aiuta a identificarle facilmente.

Hanno un'alta densità energetica

Le batterie al litio vantano una densità di energia che consente loro di immagazzinare energia per volume o massa, rendendole più piccole, più leggere e in grado di fornire più energia rispetto alle loro tradizionali controparti alcaline. La loro maggiore durata le rende inoltre popolari tra i computer portatili, i telefoni cellulari, le auto ibride e i veicoli elettrici.

La densità energetica misura la quantità di energia elettrica immagazzinata in una batteria ed è espressa in wattora per chilogrammo (Wh/kg). Non deve essere confusa con la densità di potenza, che misura la quantità di energia che può essere erogata nel tempo; la densità di potenza è più rilevante quando si tratta di dispositivi che richiedono energia istantanea, come luci o apparecchi che richiedono un'erogazione immediata di energia.

La densità energetica delle batterie al litio dipende dal materiale scelto per gli elettrodi catodici e anodici, dall'elettrolita e da altri componenti ausiliari. Gli anodi dovrebbero essere costituiti da materiali non metallici, come il carbonio, in grado di interagire chimicamente con il litio, mentre i catodi dovrebbero essere costituiti da metalli in grado di accettare gli ioni di litio durante i processi di scarica/carica. In questo modo gli ioni di litio fluiscono tra gli elettrodi a velocità diverse durante i cicli di carica/scarica.

Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio negativi si spostano dall'anodo al catodo attraverso il fluido elettrolitico e si combinano con i materiali del catodo in una semireazione di riduzione interna, liberando elettroni che completano un circuito esterno e producono lavoro.

Il litio metallico è troppo reattivo per essere utilizzato come anodo, ma può essere intercalato in materiali catodici non metallici per formare il cosiddetto elettrodo di intercalazione. A causa dell'alto livello di reattività del litio, i materiali anodici e catodici devono essere separati utilizzando un elettrolita polimerico solido per evitare che gli ioni di litio siano esposti all'acqua, che si decomporrebbe alla tensione della cella e causerebbe cortocircuiti interni.

Le batterie agli ioni di litio offrono un'elevata densità di energia, rendendole versatili e più sicure di quelle alcaline, che possono generare un calore eccessivo o incendiarsi in caso di sovraccarico. Inoltre, le batterie agli ioni di litio durano quattro volte di più.

Possono essere ricaricati rapidamente

Le batterie al litio offrono una maggiore densità di energia rispetto alle batterie alcaline e si ricaricano più rapidamente, rendendole ideali per utensili elettrici, dispositivi portatili indossabili, veicoli ibridi ed elettrici, ecc. Tuttavia, la loro longevità dipende da diversi fattori, tra cui la temperatura e le modalità di ricarica: per ottenere il massimo dalla batteria al litio, è fondamentale utilizzare un caricabatterie di alta qualità e seguire scrupolosamente le sue istruzioni; inoltre, la ricarica a temperatura ambiente aiuta a prevenire l'invecchiamento precoce del suo contenuto.

Le batterie agli ioni di litio sono costituite da una o più celle dotate di anodo, catodo, separatore ed elettrolita; questi elementi agiscono insieme per immagazzinare ioni di litio positivi e negativi, rispettivamente. Quando una corrente elettrica esterna attraversa la batteria, gli ioni di litio si spostano dall'anodo al catodo attraverso l'elettrolita e creano una differenza di potenziale elettrico tra gli elettrodi che alimenta i dispositivi.

La durata della batteria dipende da molte variabili, come la temperatura e le modalità di utilizzo. Anche il numero di cicli e la resistenza interna svolgono un ruolo importante, ma meno determinante. Sebbene molti produttori di dispositivi raccomandino di sostituire le batterie dopo un certo numero di cicli (noto come conteggio dei cicli nel linguaggio scientifico), questo approccio può variare in profondità (per maggiori dettagli, consultare BU-501: Nozioni di base sulla scarica). Pertanto, è meglio valutare le prestazioni in base alla capacità come indicazione dello stato di salute.

Una corretta carica della batteria richiede sia una corrente costante (CC) che una tensione costante (CV). Una carica CC porta la batteria al suo limite di tensione target per cella; una volta raggiunto, la carica CV diminuisce gradualmente la corrente per evitare un sovraccarico che potrebbe accorciare la durata della batteria e ridurne la vita. La carica può essere effettuata con un adattatore CA o con un caricabatterie dedicato; per ottenere risultati ottimali, utilizzare quest'ultimo per evitare l'invecchiamento prematuro di anodo e catodo.

Sono sicuri

Le batterie al litio sono costituite da un anodo e da un catodo separati da uno strato elettrolitico, collegati dagli elettroni che scorrono tra gli elettrodi quando sono accese. Quando questo processo ha luogo, gli elettroni scorrono lungo il loro percorso tra gli elettrodi producendo corrente elettrica e riscaldando l'anodo; allo stesso tempo, il catodo rilascia ioni di litio che si muovono verso di esso. La densità energetica dipende dalla quantità di litio utilizzato e dalla tensione della cella; ad esempio, una batteria con un livello di carica di 3,5 Ah contiene 41,7kJ per grammo di litio, una quantità superiore a quella presente nella benzina!

Le batterie al litio possono essere estremamente sensibili alle alte temperature. Pertanto, è fondamentale che gli utenti seguano le istruzioni del prodotto, evitino di abusarne e controllino regolarmente lo stato di carica della batteria. Inoltre, l'uso di un caricabatterie specifico per il tipo di batteria agli ioni di litio consente di controllare la quantità di carica e di evitare un sovraccarico che può portare a un'interruzione termica.

Tenere le batterie agli ioni di litio in aree ben ventilate è un'altra misura di sicurezza essenziale, che aiuta a prevenire il surriscaldamento e l'innesco di incendi che possono rapidamente diffondersi in aziende, edifici e ambienti circostanti, diventando pericolosamente fuori controllo e pericolosi per tutti i soggetti coinvolti.

Non appena si accende un incendio di batterie al litio, è fondamentale mantenere la calma e agire rapidamente. Se l'incendio è abbastanza piccolo, provate a spegnerlo con estintori a polvere secca o con acqua. Gli incendi più grandi, invece, richiedono l'evacuazione immediata e la chiamata al 911, ma in entrambi i casi cercate di non farvi prendere dal panico!

Un'esplosione che coinvolga le batterie agli ioni di litio è estremamente pericolosa e deve essere trattata come tale. Prestare attenzione ai segnali di avvertimento come gonfiore, strani suoni sibilanti o scoppiettanti, calore eccessivo o un odore insolito; in presenza di tali sintomi, rimuovere immediatamente la batteria dal servizio e, se calda, collocarla su una superficie non conduttiva e lontana da materiali combustibili. Se si surriscalda al tatto, è probabile che si sia verificato un danno interno che potrebbe provocare un'esplosione al momento dell'attivazione.

Se si viaggia con batterie agli ioni di litio, è fondamentale conoscere le regole del trasporto aereo. In caso di dubbi, contattate la vostra compagnia aerea o i rappresentanti per le merci pericolose per ricevere assistenza e consigli.