Batterie al litio ioniche

Le batterie al litio ionico costano di più all'inizio, ma superano le batterie al piombo di due o tre volte e non richiedono costi di manutenzione o di pulizia; inoltre, si ricaricano molto più velocemente e sono abilitate al Bluetooth, in modo da sapere sempre con esattezza la durata residua della batteria.

I materiali anodici svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni delle batterie. La grafite viene spesso scelta per questo ruolo grazie alla sua bassa tensione di intercalazione e al suo comportamento ciclico superiore.

I materiali

L'anodo e il catodo sono elementi chiave di una batteria al litio, in quanto ciascuno contribuisce alla perdita di elettroni durante l'ossidazione, mentre l'altro funge da anodo per il guadagno di elettroni durante la riduzione. I loro materiali determinano sia la tensione che la capacità della batteria.

Esistono diversi materiali utilizzati per gli elettrodi delle batterie, ognuno dei quali offre una serie di vantaggi e svantaggi. Anche se alcuni materiali possono costare di più, è importante ricordare che il costo delle materie prime da solo non determina i costi delle batterie; altri fattori importanti sono le questioni di sicurezza, le stime dei costi di produzione e le considerazioni ambientali.

Attualmente, la maggior parte delle batterie Li commerciali utilizza materiali anodici e catodici composti da ossidi o fosfati contenenti metalli di transizione di prima fila, rispettivamente per gli anodi e i catodi. Sebbene questi materiali leggeri abbiano capacità specifiche e densità energetiche elevate, il loro processo di immagazzinamento degli ioni di litio presenta una serie di problemi; gli anodi di grafite, ad esempio, immagazzinano il litio intercalando tra gli strati di grafite sfusa a reticolo di carbonio 2D; tuttavia, ciò comporta un'espansione del volume fisico durante i cicli di carica/scarica e scarica, che porta al degrado delle prestazioni o addirittura al fallimento delle prestazioni della cella nel tempo.

Per ovviare a questo problema, i ricercatori stanno esplorando diversi materiali di lega come anodi. Materiali come il silicio, il germanio e l'antimonio reagiscono con gli ioni di litio per formare leghe che immagazzinano molto più litio rispetto alla grafite; anche i materiali che formano dendriti subiscono una sostanziale espansione di volume durante la carica/scarica, ma in genere presentano uno stress minore sugli elettrodi, il che contribuisce a diminuire il degrado e a prolungare la durata del ciclo della batteria.

Questi materiali sono tipicamente macinati in polvere fine e mescolati con leganti e solventi per formare un impasto per elettrodi, prima di essere rivestiti su pezzi di lamina metallica come l'alluminio (anodo) e il rame (catodo), essiccati in un forno per fissare il rivestimento e rimuovere eventuali solventi residui, pronti per essere utilizzati nelle batterie.

Cicli di carica/scarica

Le batterie agli ioni di litio alimentano molti aspetti della nostra vita quotidiana, dai computer portatili ai telefoni cellulari, dalle auto elettriche alle case. La loro popolarità è salita alle stelle grazie all'elevata densità energetica, alla leggerezza, ai lunghi cicli di ricarica e alla sicurezza di funzionamento in un'ampia gamma di temperature. Tuttavia, le batterie agli ioni di litio hanno una durata limitata; a un certo punto la loro capacità di accumulo della carica può diminuire completamente e causare l'esaurimento - il loro tempo di funzionamento, a seconda di fattori come la temperatura, la profondità di scarica e la frequenza dei cicli di carica/scarica, finirà per esaurirsi.

Le batterie agli ioni di litio si differenziano in modo significativo dalle tradizionali batterie al piombo, in quanto non contengono materiali infiammabili o tossici e sono sigillate all'interno di una soluzione elettrolitica non acquosa, composta da carbonati organici come i carbonati di etilene e propilene, che legano gli ioni di litio con i loro anodi e catodi (entrambi realizzati in materiale di grafite per un efficiente accumulo di energia elettrica).

Quando le batterie agli ioni di litio vengono caricate, la loro corrente aumenta rapidamente fino a raggiungere una soglia di tensione che indica lo stato di carica completa. A questo punto, i livelli di corrente iniziano a ridursi fino al 3% del valore nominale e alla fine si verifica la fase di saturazione, che porta all'autoscarica.

Le scariche più profonde riducono la durata della batteria, mentre quelle meno profonde la migliorano. Inoltre, il modo in cui una batteria viene mantenuta ha un impatto sulla sua durata: i livelli ottimali di DoD, le temperature di esercizio e i tassi di C possono estendere in modo significativo la durata del ciclo.

Le batterie agli ioni di litio hanno in genere una soglia di tensione di 4,20 V/cella, che le rende adatte a dispositivi consumer come telefoni cellulari e fotocamere digitali. Le applicazioni industriali, tra cui i satelliti e i veicoli elettrici, utilizzano spesso soglie più basse per consentire tempi di funzionamento più lunghi. Inoltre, molte batterie agli ioni di litio includono circuiti di protezione per evitare che la loro tensione superi il limite impostato.

Il mantenimento di una tensione superiore a quella ideale delle batterie agli ioni di litio ne stressa le celle e ne accorcia la durata, aumentando lo stress su queste risorse vitali. Per ridurre al minimo lo stress su queste fragili batterie, scaricarle periodicamente fino a circa 50% prima di ricaricarle lentamente può ridurre lo stress sulle celle e prolungarne la durata.

Sicurezza

Le batterie agli ioni di litio alimentano numerosi dispositivi elettronici di consumo e veicoli elettrici, ma quando si guastano possono anche provocare incendi. Gli incendi derivano da reazioni interne di auto-riscaldamento causate dal litio nell'elettrolita, che portano a una fuga termica e possono degradare, surriscaldare o addirittura far esplodere la batteria nel tempo. La gravità di tali reazioni dipende dalle dimensioni, dalla costruzione e dalla chimica della batteria, così come le potenziali esplosioni che ne derivano.

Le percentuali di guasto delle batterie agli ioni di litio sono diminuite nel tempo, ma rimangono suscettibili di incendi. I danni possono derivare da una manipolazione approssimativa, da procedure di carica non corrette o da un'esposizione prolungata a temperature elevate; anche i difetti di fabbricazione contribuiscono al degrado strutturale e ai problemi di cortocircuito interno che potrebbero incendiarsi.

Gli incendi di batterie in ambienti chiusi come aerei, sottomarini o navi possono essere particolarmente devastanti; infatti, alcuni dei casi peggiori si sono verificati in queste condizioni, come il volo cargo UPS che si è schiantato a causa dell'accensione spontanea della batteria ausiliaria agli ioni di litio a bordo.

Le moderne batterie agli ioni di litio possono aver ridotto notevolmente i rischi di incendio, ma le loro caratteristiche di sicurezza non sono in grado di prevenire tutti i casi di fuga termica. Un difetto su 200.000 in una cella potrebbe permettere a microscopiche particelle metalliche di entrare in contatto e portare a un rapido smontaggio che nessun circuito di sicurezza potrebbe mai fermare una volta attivato.

Per ridurre i rischi associati alla carica delle batterie agli ioni di litio, i consumatori dovrebbero utilizzare solo caricabatterie progettati specificamente per caricare in modo sicuro le batterie agli ioni di litio, attenendosi a tutte le istruzioni del produttore relative all'uso, alla conservazione e allo smaltimento. I clienti dovrebbero smettere di utilizzare dispositivi e batterie che emettono un odore strano, si riscaldano eccessivamente, cambiano forma improvvisamente, perdono, fumano o mostrano altri sintomi di malfunzionamento. Guardate il nostro nuovo annuncio di servizio pubblico per capire come potete occuparvi della sicurezza delle batterie! L'annuncio mostra l'incendio di una e-bike di New York causato da una batteria al litio surriscaldata. Inoltre, ulteriori informazioni e consigli di sicurezza sono disponibili sulla pagina web della NFPA dedicata alla sicurezza delle batterie di e-bike ed e-scooter, con comunicati stampa pre-scritti per i media locali che contribuiranno a diffondere la consapevolezza.

Applicazioni

Le batterie agli ioni di litio sono diventate rapidamente un componente indispensabile dei moderni dispositivi elettronici, dai computer portatili ai telefoni cellulari, fino alle auto ibride ed elettriche. Queste batterie leggere non solo sono più convenienti, ma offrono anche una maggiore densità energetica, ovvero la quantità di carica elettrica per grammo di litio che contengono.

Le batterie agli ioni di litio devono le loro prestazioni a una soluzione elettrolitica composta da solventi, additivi e sali che funge da intermediario per gli ioni di litio che viaggiano tra gli elettrodi anodici e catodici. Un separatore in plastica porosa tra gli elettrodi funge da ulteriore barriera fisica, impedendo agli ioni di litio di scontrarsi direttamente durante la scarica o la ricarica, causando un cortocircuito inutile dei cicli di scarica e ricarica.

La grafite è stata a lungo considerata il materiale anodico di riferimento per le batterie agli ioni di litio grazie alla sua bassa tensione di intercalazione, che aumenta la capacità e la stabilità dei cicli mantenendo la stabilità dei cicli. Tuttavia, la ricerca continua a trovare materiali più robusti in grado di immagazzinare più energia.

Queste batterie sono spesso utilizzate per garantire che le apparecchiature critiche, come i sistemi di allarme o le telecamere di sorveglianza, possano continuare a funzionare quando necessario. Fornendo energia istantanea quando necessario, queste batterie eliminano la necessità di fonti di elettricità cablate e garantiscono che i dispositivi siano sempre alimentati quando necessario.

Le batterie agli ioni di litio possono essere utilizzate anche per alimentare ausili alla mobilità come sedie a rotelle e scooter. Poiché questi ausili devono rimanere in funzione per lunghi periodi, le loro batterie devono essere in grado di durare a lungo con una singola carica. Un fornitore affidabile venderà solo batterie agli ioni di litio sottoposte a rigorosi test di sicurezza, durata e ciclo di vita.

Le batterie al litio possono alimentare molti dispositivi e sistemi elettronici, tra cui luci di emergenza e dispositivi medici. Le batterie al litio sono particolarmente utili in luoghi remoti o temporanei, dove l'accesso a fonti di alimentazione cablate può essere difficile o impossibile; inoltre, hanno una maggiore tolleranza alla temperatura rispetto alle loro controparti al piombo e durano più a lungo.