Vantaggi delle batterie al litio

Le batterie al litio sono diventate componenti essenziali dell'elettronica mobile, della mobilità elettrica e dell'accumulo di energia in rete, offrendo molti vantaggi rispetto ad altri tipi di batterie.

Le batterie agli ioni di litio presentano come catodi l'ossido di cobalto o il fosfato di ferro e come anodi la grafite, separati da un separatore in materiale poroso progettato per consentire il passaggio degli ioni di litio impedendo il contatto diretto tra gli elettrodi.

Alta densità energetica

Le batterie al litio vantano una delle più alte densità di energia tra i tipi di batterie (misurata in Wattora per chilogrammo), il che significa che immagazzinano più energia di altri tipi di batterie. La loro invenzione e commercializzazione è stata celebrata come una delle più grandi conquiste della storia dell'umanità; hanno reso possibile l'elettronica di consumo portatile (come le fotocamere digitali, i computer portatili e i telefoni cellulari) e le auto elettriche (rivoluzione della mobilità elettrica). Hanno trovato impiego anche in applicazioni di accumulo di energia su scala di rete e in applicazioni militari/aerospaziali.

Le batterie al litio raggiungono la loro impressionante densità energetica grazie all'intercalazione; in questo processo gli ioni di litio sono fisicamente incorporati tra strati di reticolo di carbonio 2D tramite intercalazione. Ciò consente reazioni reversibili di carica-scarica senza diminuire la capacità o la durata del ciclo.

I ricercatori che vogliono aumentare la densità di energia delle batterie al litio devono ottimizzare i materiali anodici, catodici ed elettrolitici, riducendo al contempo le dimensioni della batteria. Purtroppo, però, aumentare la densità energetica migliorando contemporaneamente le prestazioni ciclistiche e la stabilità termica non è un compito semplice.

La densità energetica consente ai dispositivi elettronici portatili di avere una lunga autonomia, riducendo al contempo il costo del sistema. Un pacco batteria più piccolo può utilizzare meno acciaio e altri materiali strutturali, cavi e fili e sistemi di raffreddamento rispetto alla sua controparte più grande.

La densità energetica delle batterie al litio è indubbiamente fondamentale, ma non va confusa con la densità di potenza, che misura la loro capacità di erogare brevi quantità di energia. La chimica e la struttura della batteria giocano un ruolo fondamentale nel determinare la densità di potenza, piuttosto che la sua produzione di energia specifica.

Le batterie al litio nichel-cobalto-manganese (NCM) offrono un'impressionante densità energetica; tuttavia, la loro bassa stabilità termica e le limitate capacità di carico ne limitano l'idoneità per le applicazioni mobili. Un'eccezione a questa regola è rappresentata dalle batterie al litio-ferro-fosfato, utilizzate negli e-scooter e in altri veicoli motorizzati di piccole dimensioni per raggiungere una densità di energia estremamente elevata con capacità di carico elevate; spesso si trovano ad alimentare scooter o piccoli veicoli simili dotati di motore. Sfortunatamente, queste batterie chimiche non sono adatte per applicazioni in cui i dispositivi vengono smontati o schiacciati, perché si deteriorano e causano incendi o esplosioni.

Lunga durata di vita

Le batterie al litio sono un componente fondamentale per l'alimentazione di molti dei dispositivi elettronici su cui facciamo affidamento oggi, con una lunga durata di vita che spesso supera il decennio in condizioni ideali. Dalle configurazioni portatili per l'energia solare e i veicoli elettrici ai piccoli power bank e alle configurazioni portatili per l'energia solare, le batterie al litio offrono prestazioni affidabili per gli strumenti e gli accessori più importanti. Tuttavia, le batterie al litio devono essere curate correttamente per prolungarne la durata in modo significativo; l'utilizzo di schemi di ricarica adeguati, l'evitare scariche profonde e l'adozione di misure precauzionali durante lo stoccaggio contribuiscono a prolungarne la vita in modo significativo.

Un passo essenziale per aumentare la durata delle batterie al litio è la comprensione del numero di cicli di carica e scarica. Sebbene alcuni produttori di batterie facciano riferimento alle date di scadenza delle loro batterie in base al numero di cicli, ciò può essere fuorviante in quanto determinate batterie potrebbero non raggiungere mai quel punto finale a causa di fattori esterni. È invece opportuno considerare il ciclo di vita di una batteria in termini di quanti cicli di carica/scarica può effettuare prima che le sue prestazioni inizino a diminuire.

Ad esempio, una batteria che viene regolarmente scaricata in profondità (DOD), per portare la sua capacità a 80%, sopravviverà in genere solo a 500 cicli di carica-scarica prima che le sue prestazioni inizino a deteriorarsi sensibilmente. Al contrario, se si mantengono sane le batterie scaricandole solo fino a 70% o 80% prima di ricaricarle, la loro durata di vita si allunga notevolmente oltre i 500 cicli.

Anche la temperatura può influire sulla durata delle batterie, accelerando la resistenza interna e la perdita di capacità nel tempo. Pertanto, le batterie al litio devono essere conservate a una temperatura ideale per ridurre al minimo gli estremi di calore o freddo che potrebbero minacciarne la longevità.

Sebbene le batterie al litio non richiedano lo stesso livello di cura delle batterie al piombo, per ottenere prestazioni ottimali devono essere caricate ogni sei-dodici mesi fino a raggiungere lo stato di carica (SoC) di circa 80%. In questo modo si garantisce un utilizzo immediato e si previene l'accumulo di resistenza interna che potrebbe altrimenti portare a un degrado prematuro delle celle. Per un metodo di manutenzione ottimale, cercate caricabatterie che mantengano automaticamente una tensione costante e che rabbocchino automaticamente il loro stato di carica secondo le necessità.

Alta ricaricabilità

Le batterie al litio utilizzano uno speciale separatore per consentire agli ioni di litio di muoversi avanti e indietro tra il catodo e l'anodo, attivando gli elettroni liberi all'anodo e creando corrente elettrica che alimenta dispositivi come computer portatili o telefoni cellulari. Le batterie al litio possono essere ricaricate più volte senza perdere capacità o degradarsi.

Il basso tasso di autoscarica delle batterie al litio e la loro particolare composizione chimica lo rendono possibile, insieme all'elevata densità energetica che consente loro di mantenere una carica maggiore per un periodo di tempo prolungato rispetto ad altri tipi di batterie, rendendo il litio una scelta eccellente per l'alimentazione di elettronica portatile, veicoli elettrici e utensili elettrici.

La composizione chimica delle batterie al litio le rende più sicure e semplici da gestire, a differenza delle loro controparti al piombo acido, che rilasciano gas nocivi durante la carica o la scarica e producono emissioni corrosive di idrogeno o ossigeno, rendendole più sicure da conservare in spazi ristretti.

Esistono diverse chimiche di batterie al litio sul mercato, ma il litio ferro fosfato (LiFePO4) spicca come opzione popolare grazie alla sua superiore stabilità termica, agli elevati valori di corrente, alla lunga durata dei cicli e alla tolleranza agli abusi. Le batterie LiFePO4 sono comunemente utilizzate nelle applicazioni di energia rinnovabile, in quanto offrono una densità energetica ottimale rispetto al costo per ciclo e alle considerazioni sulla sicurezza.

Le batterie al litio vantano una bassa resistenza interna, che le rende la scelta perfetta per i dispositivi ad alta corrente come le auto ibride ed elettriche. Inoltre, le batterie al litio si ricaricano rapidamente per prolungare la loro durata e aumentare la longevità dei dispositivi.

Le batterie al litio possono essere conservate fino a un anno a temperatura ambiente senza effetti negativi; tuttavia, se conservate troppo a lungo o a temperature estreme, potrebbero morire presto.

Le batterie al litio e i dispositivi elettronici che le contengono non devono mai essere smaltiti nella spazzatura domestica o nel cassonetto del riciclaggio, poiché ciò comporta un rischio di incendio. Al contrario, questi oggetti dovrebbero essere riciclati correttamente per contribuire a salvaguardare l'ambiente e ridurre i rischi per gli operatori del settore dei rifiuti, del riciclaggio e dei rottami.

Bassa autoscarica

Le batterie al litio sono diventate una fonte di energia indispensabile per i nostri dispositivi quotidiani, dai computer portatili ai telefoni cellulari, dalle auto elettriche agli usi industriali. Le batterie al litio sono note per l'elevata densità energetica, la lunga durata, la ricaricabilità e il basso tasso di autoscarica - caratteristiche fondamentali per l'accumulo a lungo termine che consentono alle batterie di mantenere la piena capacità per mesi e anni senza doverle ricaricare o scaricare altre volte.

Sebbene le batterie al litio offrano molti vantaggi, molte persone non capiscono che devono essere mantenute con cura per garantire il massimo delle prestazioni e della durata. Purtroppo, molte batterie al litio vengono sottoutilizzate a causa di pratiche d'uso e di conservazione inadeguate, ma ci sono delle misure che si possono adottare per massimizzare il valore del proprio investimento nelle batterie.

L'autoscarica delle batterie al litio è inevitabile a causa delle reazioni collaterali tra i materiali degli elettrodi positivi e negativi e gli elettroliti che producono prodotti insolubili che riducono gli ioni di litio disponibili, causando un irreparabile degrado delle prestazioni e della capacità.

Oltre alle reazioni collaterali negative, anche altri fattori possono influire negativamente sulle prestazioni e sulla capacità delle batterie al litio, tra cui il processo di produzione, le condizioni di stoccaggio e la progettazione della batteria. Le bave sui poli dovute a problemi di produzione o le impurità introdotte negli ambienti di produzione possono causare cortocircuiti interni che aumentano i tassi di autoscarica.

L'invecchiamento delle batterie al litio è un altro fattore. Questo processo inizia durante la produzione, quando le batterie vengono caricate e conservate per lunghi periodi, durante i quali i materiali anodici interagiscono con gli elettroliti per formare strati di passivazione che aumentano l'impedenza e riducono la capacità di ciclaggio. Inoltre, lo stoccaggio prolungato può portare alla formazione di litio metallico sull'anodo, creando seri problemi di sicurezza in ambienti difficili.