Batteria agli ioni di litio

La tecnologia delle batterie agli ioni di litio offre una fonte di energia ricaricabile avanzata utilizzata in vari dispositivi elettronici. Questa batteria utilizza l'intercalazione reversibile degli ioni di litio negli elettrodi negativi di carbonio attraverso reazioni elettrochimiche con soluzioni di elettroliti liquidi organici non acquosi.

Queste batterie contengono solventi organici che le rendono altamente infiammabili. È quindi opportuno conservarle lontano da oggetti metallici per evitare cortocircuiti che potrebbero provocare incendi. Gli incendi possono verificarsi anche a causa del sovraccarico o di danni fisici alle celle di queste batterie.

Alta densità energetica

L'elevata densità di energia delle batterie al litio le rende una fonte di energia inestimabile per i dispositivi elettronici portatili, tra cui telefoni cellulari, orologi, tablet, computer, auto elettriche, droni e apparecchiature aerospaziali. La densità di energia consente di fornire grandi quantità di elettricità in piccoli volumi, pur rimanendo leggera; la misura della densità di energia misura quanti wattora (wh) una batteria può immagazzinare rispetto al suo peso; la densità di energia differisce dalla densità di potenza, che misura quanti watt può erogare per ora o minuto. Tuttavia, va notato che entrambi i parametri devono essere presi in seria considerazione per una corretta valutazione delle prestazioni della batteria!

Le batterie agli ioni di litio sono celle elettrochimiche con due elettrodi solidi contenenti composti costituiti da atomi di litio; di solito la grafite come elettrodo negativo e il silicio come elettrodo positivo. Il silicio può aumentare la capacità, mentre come elettrodo positivo si può utilizzare un composto di intercalazione come LiCoO2, LiFePO4 o ossidi di litio nichel manganese cobalto. Tra ogni cella della batteria è presente un elettrolita liquido non acquoso, ad esempio un solvente organico come il carbonato di etilene o il carbonato di propilene con complessi di ioni di litio dispersi.

La carica avviene spostando gli ioni di litio dall'elettrodo negativo a quello positivo e rilasciando elettroni che viaggiano lungo un filo esterno per lavorare. Al contrario, quando si scarica, gli ioni tornano dall'anodo al catodo e rilasciano elettroni che tornano verso l'anodo, dove tirano fuori la carica attraverso l'elettrolito creando la corrente che alimenta i nostri dispositivi.

Con la continua crescita della nostra domanda di energia, le batterie devono fornire più energia in un pacchetto più piccolo e più leggero. Per raggiungere questo obiettivo saranno necessari nuovi sistemi elettrochimici con densità energetiche significativamente più elevate di quelle attualmente disponibili: queste batterie ad alta energia devono bilanciare la produzione di energia con l'utilizzo, la durata del ciclo e le considerazioni sulla sicurezza.

Le batterie al litio ricaricabili con catodi di tipo intercalare e anodi a base di silicio hanno suscitato un immenso interesse per la loro superiore densità energetica. Rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio con catodi di tipo intercalare e anodi di grafite, queste nuove tecnologie offrono una potenza significativamente maggiore in celle molto più sottili e leggere, creando la speranza di una mobilità senza emissioni di carbonio e di soluzioni energetiche rinnovabili nel prossimo futuro.

Ricarica rapida

La carica avviene quando fonti di energia elettrica esterne forniscono una sovratensione (superiore a quella esistente nella cella stessa) a una batteria, forzando gli elettroni dall'elettrodo positivo attraverso il fluido elettrolitico fino all'elettrodo negativo, forzando gli ioni di litio a entrare o uscire dagli anodi di grafite porosa attraverso processi di intercalazione o deintercalazione e creando energia chimica immagazzinata come energia potenziale all'interno.

La velocità con cui avvengono le reazioni e i trasporti è una componente integrale della capacità e della tensione della batteria. Con l'aumentare della tensione, aumenta anche l'erogazione di energia dalla batteria; la capacità aumenta anche con ogni tipo di materiale catodico utilizzato, insieme ad altre considerazioni come l'efficienza coulombiana, le caratteristiche di assorbimento/emissione e la presenza di elettrodi negativi che fungono da pompe elettriche inverse per aiutare il trasferimento degli ioni di litio.

Tuttavia, la ricarica rapida può portare al degrado dell'anodo, una perdita di capacità irreversibile che accelera con temperature più elevate, cicli di carica/scarica eccessivi, cicli frequenti o età. Inoltre, gli elettroliti possono decomporsi e produrre gas che aumentano la pressione interna delle celle in dispositivi impegnativi come quelli portatili, creando potenzialmente scenari pericolosi in applicazioni impegnative come quelle portatili.

La ricerca sulle batterie del NREL mira a trovare nuove tecnologie in grado di bilanciare la densità di energia con le capacità di ricarica rapida; uno degli approcci è rappresentato dai materiali anodici a doppio gradiente che consentono una distribuzione più uniforme degli ioni di litio in tutto l'elettrodo, accelerando il trasporto di massa e riducendo al contempo la polarizzazione della concentrazione che causa il degrado.

Un altro mezzo efficace per aumentare la capacità di carica è il miglioramento della conduttività elettrica della batteria, che può essere ottenuto modificando le dimensioni delle particelle dei materiali attivi, espandendo le dimensioni dei pori o cambiando i materiali degli elettrodi. Un altro metodo è l'utilizzo di grafite con strutture più granulari che riducono la distanza tra l'anodo di litio e l'anodo; Battrion, un'azienda derivata dall'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia, è in grado di accelerare la carica organizzando le scaglie di grafite sull'elettrodo negativo in file verticali.

Lunga durata del ciclo

Le batterie al litio funzionano trasportando ioni tra gli elettrodi positivi e negativi per fornire energia; in teoria questo meccanismo dovrebbe funzionare per sempre, ma i cicli e le alte temperature riducono la durata della batteria; i produttori in genere indicano 300-500 cicli di scarica/carica come durata media delle celle delle loro batterie.

Le batterie agli ioni di litio durano in genere 2-3 anni o 500 cicli di carica, a seconda di quale sia il primo. La loro durata può essere ulteriormente prolungata adottando misure attive per evitare il degrado prematuro.

Uno dei componenti chiave della longevità delle batterie agli ioni di litio è il mantenimento di uno stato di carica intermedio (SoC). Quando vengono lasciate al massimo dello stato di carica, le batterie subiscono uno stress in quanto l'elettrolita deve spostare gli ioni negli anodi a una velocità maggiore rispetto alla fase di ricarica, portando a una più rapida perdita di capacità e quindi a un maggiore stress per le celle.

È inoltre fondamentale mantenere le condizioni ottimali della batteria, evitando temperature estreme che potrebbero causare la decomposizione dell'elettrolita, producendo gas pericolosi che potrebbero compromettere le celle della batteria. Inoltre, un sovraccarico frequente e prolungato può accelerare la perdita di capacità.

Anche l'uso di un materiale anodico gioca un ruolo fondamentale nel prolungare la longevità della batteria al litio; la grafite è una delle scelte più diffuse, anche se i ricercatori stanno esplorando nuove soluzioni in grado di fornire una maggiore capacità con un uso ridotto di materiale e prestazioni migliori.

I materiali catodici utilizzati nelle batterie agli ioni di litio sono in genere costituiti da combinazioni di litio, cobalto e nichel che immagazzinano efficacemente gli ioni. È importante tenere presente che sia l'anodo che il catodo devono avere livelli di tensione simili per intercalare efficacemente gli ioni di litio; in caso contrario, la durata del ciclo diminuirà drasticamente.

Le batterie agli ioni di litio devono essere caricate e scaricate regolarmente per prolungarne la durata e mantenerne alta l'efficienza. In questo modo si garantisce anche la sicurezza da eventuali danni, poiché le batterie agli ioni di litio sono altamente infiammabili; per un uso e una conservazione ottimali è inoltre fondamentale utilizzare un caricabatterie adeguato e seguire le linee guida del produttore per quanto riguarda le pratiche di utilizzo e conservazione corrette.

Leggero

Le batterie al litio sono significativamente più leggere delle loro controparti grazie ai materiali leggeri utilizzati per i loro elettrodi (carbonio e litio), che ne facilitano il trasporto e l'installazione nei dispositivi elettronici.

Le batterie al litio sono note per la loro capacità di mantenere la carica nel tempo, il che contribuisce a ridurre notevolmente le sessioni di ricarica. Le batterie al litio perdono in genere meno energia rispetto ad altri tipi di batterie come quelle al nichel-metallo idruro (NiMH), che possono perdere fino a 20% ogni mese.

Le batterie al litio offrono un altro vantaggio rispetto alle altre: la sicurezza. Ciò è dovuto alla minore generazione di calore durante i processi di ricarica e scarica rispetto ad altri tipi di batterie, evitando così incendi o esplosioni che potrebbero verificarsi con altri tipi di batterie.

La scelta della batteria al litio dipende dalle vostre esigenze specifiche. Ad esempio, se si prevede di utilizzare la batteria a basse temperature, è opportuno scegliere una batteria al litio-ferro-fosfato con anodo in carbonio poroso e catodi in ossido di metallo. Gli ioni di litio viaggiano tra questi elettrodi attraverso una soluzione elettrolitica per creare elettricità quando vengono caricati.

Le batterie all'ossido di litio-manganese-cobalto offrono una densità energetica eccezionalmente elevata. I loro catodi contengono litio-manganese cobalto (o spinello), con strutture progettate per aumentare la gestione della corrente e diminuire la resistenza interna: questo tipo di batteria si trova spesso in smartphone, fotocamere digitali e computer portatili.

Le batterie agli ioni di litio offrono numerosi vantaggi che le rendono la scelta ideale per alimentare i nostri dispositivi elettronici quotidiani, dai telefoni cellulari alle auto elettriche. Non solo si ricaricano facilmente, ma la loro sicurezza è impareggiabile. Inoltre, il riciclaggio di queste batterie deve essere effettuato correttamente utilizzando i link forniti dall'EPA.