Come prolungare una batteria al litio

Gli ioni di litio all'anodo attraversano un elettrolita per raggiungere il catodo, dove si combinano con gli elettroni per generare una carica elettrica che consente di fornire energia quando necessario. Questo crea l'esclusivo sistema di alimentazione della batteria.

I recenti progressi nella selezione dei materiali anodici al silicio mirano a evitare che gli ioni Li- siano intrappolati nelle pareti dell'elettrolita e a migliorare la loro reversibilità [155].

Durata di vita più lunga

Le batterie al litio alimentano milioni di vite ogni giorno, dai computer portatili ai telefoni cellulari, fino alle auto ibride ed elettriche. I loro vantaggi vanno dall'alta densità energetica, alla leggerezza, alla velocità di ricarica e alla maggiore durata rispetto alle batterie al piombo. La chiave per prolungare la durata delle batterie al litio sta nel capire come la batteria si degrada nel tempo e nell'adottare misure proattive per estenderla: ciò include la comprensione di quale tipo di batteria al litio necessiti di cure più specifiche in termini di velocità di carica, profondità di scarica, profondità di caricamento, ecc.

Le batterie agli ioni di litio si esauriscono gradualmente nel tempo a causa di reazioni chimiche che degradano gli elettrodi e l'elettrolita, aumentando la resistenza interna e riducendo l'autonomia. Questo processo si verifica sia che la batteria venga utilizzata regolarmente sia che rimanga inutilizzata; tuttavia, l'esecuzione di cicli periodici e la conservazione a una temperatura fresca possono contribuire a rallentare notevolmente questo processo di degrado.

Il numero di cicli delle batterie al litio dipende dalle condizioni di carica e scarica e dalla temperatura di esercizio. I dispositivi di consumo le caricano in genere a 4,20 V per cella per massimizzare la capacità e l'autonomia; le applicazioni industriali, invece, utilizzano spesso soglie di tensione più basse, come quelle presenti nei satelliti o nei veicoli elettrici, per una maggiore longevità.

Per una longevità ottimale della batteria, evitare i caricabatterie rapidi, che si riscaldano e degradano rapidamente le batterie. Inoltre, limitate la frequenza di scaricamento della batteria, poiché ciò aumenta la sua resistenza interna e riduce il tempo di funzionamento e la durata del ciclo.

Le batterie al litio a ciclo profondo di Ionic vantano una durata media di 3.000-5.000 cicli completi con una capacità residua di 80%, ottenuta grazie all'utilizzo di materiali al litio-ferro-fosfato (LiFePO4) di altissima qualità, progettati per la compatibilità con diversi carichi e caricabatterie, e al monitoraggio Bluetooth che fornisce informazioni in tempo reale sullo stato di carica e calcola l'autonomia residua, garantendo ai nostri clienti marini la tranquillità di pianificare il futuro e di avere bisogno della batteria quando ne hanno più bisogno.

Maggiore densità energetica

Le batterie al litio sono altamente dense di energia, il che significa che immagazzinano una notevole quantità di energia in uno spazio ridotto (per citare il professor Paul Christensen). Per convertire l'energia chimica in corrente elettrica, gli ioni di litio devono spostarsi tra l'anodo e il catodo attraverso un separatore poroso anodo-catodo e uno strato elettrolitico; ripetute cariche e scariche migliorano sostanzialmente le prestazioni nel tempo.

Sul mercato esistono diversi tipi di batterie al litio ricaricabili, ognuna con una propria chimica interna. Anche se alcune possono costare più di altre, tutte hanno una densità di energia più elevata rispetto alle batterie al piombo, il che significa che immagazzinano una maggiore quantità di carica elettrica per chilogrammo o volume e quindi offrono un'autonomia di guida più lunga o un maggior numero di ore di utilizzo degli utensili elettrici senza aumentare significativamente le dimensioni o il peso.

La tecnologia delle batterie è in continua evoluzione e i ricercatori sono sempre alla ricerca di modi per migliorare i componenti esistenti. La professoressa Corie Cobb di ME e la ricerca del suo Integrated Fabrication Lab si concentrano sulla progettazione di architetture di elettrodi 3D che semplificano la fabbricazione delle batterie; J Devin MacKenzie, della facoltà di ME e della facoltà di Scienza e ingegneria dei materiali (MSE), sta inoltre esplorando leghe di antimonio strutturalmente ingegnerizzate come materiali per batterie.

La densità energetica è uno dei parametri chiave di ogni batteria. Misura la quantità di energia che una cella o una batteria può contenere per unità di massa o volume, rendendola particolarmente critica in applicazioni come i veicoli elettrici che necessitano di lunghe autonomie con requisiti di peso e dimensioni gestibili.

Le batterie a più alta densità energetica offrono tempi di funzionamento più lunghi prima di dover essere ricaricate, contribuendo a ridurre il consumo di carburante e i costi di manutenzione, mentre le batterie più piccole si adattano in modo più compatto al design dei veicoli, fornendo più potenza per l'accelerazione o per le attività ad alto carico.

Le batterie a più alta densità energetica possono ridurre significativamente le dimensioni e il peso complessivo, rendendole particolarmente utili per l'elettronica portatile e i veicoli elettrici, dove ogni chilogrammo conta. Sfortunatamente, le batterie ad alta densità possono avere profili di tensione non ideali per alcuni usi e potrebbero non fornire una rapida scarica di energia quando necessario.

Ricarica più rapida

Con l'aumento del numero di persone che passano ai veicoli elettrici, la domanda di batterie al litio che si ricaricano rapidamente è in aumento. Mentre le tradizionali batterie al piombo raggiungono solo 50% di profondità di scarica, le batterie agli ioni di litio hanno una profondità di scarica di 99% che le rende ideali per le applicazioni ad alta intensità di energia come i veicoli elettrici. La loro maggiore velocità di carica si traduce anche in tempi di ricarica più brevi.

Le batterie agli ioni di litio utilizzano due elettrodi composti rispettivamente da ossido di metallo e carbonio poroso per immagazzinare energia. Durante la carica, gli ioni si muovono liberamente tra questi elettrodi attraverso un elettrolita e un separatore; al momento della scarica, l'anodo subisce un'ossidazione e una perdita di elettroni, mentre la ricarica li riporta al catodo; questo ciclo continua all'infinito.

Gli ingegneri hanno sviluppato materiali, come leghe di silicio, germanio e antimonio, in grado di immagazzinare meglio gli ioni di litio rispetto agli anodi di grafite, intercalando questi ioni tra strati di grafene. Sfortunatamente, questi materiali di lega cambiano fisicamente durante i cicli di carica/scarica, il che può portare a perdite di prestazioni o a guasti.

I ricercatori della Cornell University hanno scoperto un metodo per ridurre al minimo le variazioni di volume fisico, rendendo possibili batterie al litio ad alte prestazioni con velocità di ricarica più elevate. Aggiungendo indio (solitamente utilizzato per i rivestimenti dei display touch screen), il team ha ridotto le barriere energetiche tra gli elettrodi, facilitando il passaggio degli ioni tra gli stessi.

I ricercatori hanno avvertito che è essenziale essere consapevoli dei compromessi associati alla ricarica rapida. La ricarica più rapida richiede una corrente e una potenza significativamente più elevate, che possono ridurre in modo significativo la durata di vita delle batterie, soprattutto per quanto riguarda le batterie agli ioni di litio.

Gli esperti consigliano di seguire le velocità di ricarica consigliate dai produttori di batterie per massimizzarne la longevità, con le celle di potenza che dovrebbero essere caricate a 1C per garantire che l'anodo e il catodo non siano sottoposti a tensioni eccessive; tuttavia, per i conducenti di veicoli elettrici (EV) questo non è sempre possibile a causa delle distanze di guida limitate possibili con le batterie agli ioni di litio.

Costo inferiore

Le batterie al litio offrono molti vantaggi rispetto alle batterie al piombo, tra cui il costo. Poiché le celle al litio durano più a lungo, pesano meno e funzionano in modo più efficiente, la loro economicità le rende il miglior investimento nel tempo, facendovi risparmiare su ogni acquisto o sostituzione e sul carburante per motori o generatori.

Le batterie agli ioni di litio sono diventate una fonte di energia incredibilmente popolare per l'elettronica di consumo, i veicoli ibridi e le auto elettriche, grazie alla loro leggerezza e all'elevata densità energetica. Il loro design consente di aumentare la capacità e allo stesso tempo di ridurre notevolmente i costi. Questo design ha permesso di aumentare le capacità e di ridurre i costi in modo significativo.

Con il progredire della tecnologia, i produttori sono riusciti a ridurre ulteriormente i costi utilizzando materiali migliori e ottimizzando i processi produttivi. I metodi di produzione snella, che si concentrano sulla minimizzazione degli sprechi e sull'ottimizzazione della produttività, sono particolarmente promettenti per ridurre i costi associati alla produzione di batterie.

I problemi di sicurezza rimangono uno degli ostacoli principali all'adozione diffusa delle batterie agli ioni di litio, con la fuga termica (una serie di reazioni chimiche che portano all'incendio) come uno dei principali. Le batterie agli ioni di litio possono essere soggette a questo problema se i loro catodi o anodi sviluppano crepe o cortocircuiti; tuttavia, i miglioramenti nella chimica delle celle e nelle tecnologie di imballaggio hanno reso queste batterie più sicure che mai.

Le batterie agli ioni di litio sono diventate la scelta ideale per le applicazioni UPS grazie al loro costo totale di proprietà più basso, in particolare per le unità UPS trifase che tendono a essere più grandi e più costose delle loro controparti monofase.

Con l'evoluzione dell'industria del litio, nuove innovazioni come i polimeri di litio secchi stanno aprendo nuove strade per la chimica e il design delle batterie. Questi progressi promettono cicli di vita più lunghi, con profondità di scarica maggiori, senza rischi di fuga termica o altri problemi di sicurezza: ciò significa che le batterie agli ioni di litio potrebbero diventare una presenza ancora più diffusa nelle applicazioni rispetto al passato.