Che cos'è una batteria al litio?

Le batterie al litio sono diventate componenti essenziali dei veicoli elettrici e dei sistemi di accumulo di energia rinnovabile. Inoltre, la batteria al litio svolge un ruolo fondamentale nell'alimentazione di queste tecnologie. È quindi necessario comprendere i diversi aspetti delle batterie al litio. Tra cui i tipi, le caratteristiche di tensione, il processo di produzione, la tecnologia avanzata e l'ampia gamma di applicazioni. È fondamentale capire il loro significato nel mondo di oggi. Questo articolo lo approfondisce.

Tipo di batteria al litioy

Ecco sei tipi di batterie al litio:

1. Batteria agli ioni di litio (Li-ion): Le batterie agli ioni di litio sono il tipo più comune di batterie al litio. Sono famose per l'elevata densità energetica, la lunga durata dei cicli e il basso tasso di autoscarica. Il materiale del catodo è l'ossido di litio e cobalto (LiCoO2). Inoltre, durante i cicli, le batterie al litio favoriscono l'intercalazione e la deintercalazione degli ioni di litio.

2. Batteria al litio ferro fosfato (LiFePO4): LiFePO4 è nota anche come batteria LFP. Le si riconosce per la maggiore sicurezza, la stabilità termica e la lunga durata dei cicli. Il catodo è costituito da fosfato di litio e ferro (LiFePO4), mentre l'anodo è costituito da carbonio. Le batterie sono utilizzate per i veicoli elettrici, per i sistemi di accumulo di energia rinnovabile e per le applicazioni di alimentazione di riserva.

3. LBatteria ai polimeri di litio (Li-Po): Le batterie Li-Po utilizzano un elettrolita polimerico solido. Sostituisce un elettrolita liquido. Questo elettrolita polimerico solido offre una flessibilità basata su forma e dimensioni. Consente quindi ai produttori di creare batterie con diversi fattori di forma. Le batterie Li-PO sono utilizzate in smartphone, tablet, computer portatili e altri dispositivi elettronici portatili.

4. Batteria all'ossido di litio e manganese (LiMn2O4):  Si tratta di batterie al litio manganese spinello. Offrono un equilibrio tra densità energetica, sicurezza ed economicità. Inoltre, possiedono un catodo composto da ossido di litio manganese (LiMn2O4) e un anodo a base di carbonio. Queste batterie sono utilizzate negli utensili elettrici, nei dispositivi medici e nell'elettronica di consumo.

5. Batteria al litio nichel cobalto ossido di alluminio (LiNiCoAlO2): note come batterie NCA. Sono riconosciute per l'elevata densità di energia e la potenza erogata. Sono costituite da un catodo composto da LiNiCoAlO2, un anodo a base di carbonio e un elettrolita liquido. Le batterie NCA sono utilizzate nei veicoli elettrici. Questo permette di avere un'autonomia di guida più lunga e tempi di ricarica più rapidi.

6. Batteria all'ossido di litio-nichel-manganese-cobalto (LiNiMnCoO2): denominate batterie NMC. Offre un equilibrio tra densità energetica e durata del ciclo. È costituita da un catodo composto da (LiNiMnCoO2) e da un anodo a base di carbonio. Le batterie NMC trovano applicazione in utensili elettrici, biciclette elettriche e altri dispositivi portatili.

Qual è la tensione della batteria al litio?

Le batterie al litio hanno caratteristiche di tensione diverse a seconda della loro chimica e configurazione specifica. Ecco alcuni intervalli di tensione comuni per i diversi tipi di batterie al litio:

1. Batterie agli ioni di litio (Li-ion):

l Tensione nominale: La tensione nominale di una singola cella agli ioni di litio è di circa 3,6-3,7 volt. Questo valore rappresenta la tensione media durante la maggior parte del ciclo di scarica della batteria.

l Intervallo di tensione operativa: Durante il normale funzionamento, la tensione di una cella agli ioni di litio può variare da circa 2,5 a 4,2 volt. È bene sapere che il limite inferiore indica uno stato di scarica, mentre il limite superiore rappresenta uno stato di carica. Il funzionamento di una cella agli ioni di litio al di fuori di questo intervallo di tensione può comprometterne le prestazioni e la sicurezza.

2. Batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4):

l Tensione nominale: Le batterie LiFePO4 hanno una tensione nominale di circa 3,2-3,3 volt per cella.

l Intervallo di tensione operativa: La tensione di esercizio delle batterie LiFePO4 varia da circa 2,8 a 3,6 volt. Lo stesso vale per le batterie agli ioni di litio. Se queste celle non rientrano nell'intervallo di tensione consigliato, le loro prestazioni e la loro sicurezza ne risentiranno.

3. Batterie ai polimeri di litio (Li-Po):

l Tensione nominale: Le batterie ai polimeri di litio hanno una tensione nominale di 3,7 volt per cella. Analogamente, le batterie agli ioni di litio.

l Intervallo di tensione operativa: La tensione di esercizio è generalmente compresa tra 2,5 e 4,2 volt. Si tratta di una gamma di batterie ai polimeri di litio.

4. Batterie al titanato di litio (Li4Ti5O12):

l Tensione nominale: Le batterie Li4Ti5O12 hanno una tensione nominale di circa 2,4-2,5 volt per cella.

l Intervallo di tensione operativa: La tensione di esercizio delle batterie Li4Ti5O12 varia da circa 1,8 a 2,8 volt.

Come si costruisce una batteria al litio?

Il processo di produzione delle batterie al litio prevede diverse fasi:

1. Preparazione dei materiali:

l Materiale catodico: è un ossido di litio metallico come lLiCoO2, (LiNiMnCoO2 o LiFePO4). Il materiale catodico è costituito da additivi conduttivi e da un legante che forma un impasto.

l Materiale dell'anodo: Di solito è grafite o un composto contenente litio. Allo stesso modo, il titanato di litio (Li4Ti5O12). Allo stesso modo, il catodo, gli additivi conduttivi e un legante per formare un impasto costituiscono il materiale anodico.

l Elettrolita: Preparare l'elettrolita, che è un sale di litio disciolto in un solvente organico. I sali di litio comunemente utilizzati sono l'esafluorofosfato di litio (LiPF6) o l'esafluoroarsenato di litio (LiAsF6).

l Separatore: Procurarsi un separatore poroso in materiale polimerico e separare il catodo e l'anodo consentendo il flusso di ioni.

2. Rivestimento dell'elettrodo:

l Rivestire l'impasto del materiale catodico su un collettore di corrente, solitamente costituito da un foglio di alluminio. Rivestire l'impasto del materiale anodico su un collettore di corrente separato, costituito da un foglio di rame.

l Asciugare gli elettrodi rivestiti per rimuovere il solvente e creare film elettrodici solidi.

3. Assemblaggio delle cellule:

l Assemblare la cella posizionando un separatore tra il catodo e l'anodo. Arrotolare o impilare il catodo, il separatore e l'anodo per formare un rotolo di gelatina o una configurazione impilata.

l Inserire il rotolo di gelatina o il gruppo impilato in un involucro cilindrico o in una cella a sacchetto.

4. Riempimento e sigillatura dell'elettrolita:

l Riempire l'involucro della cella con l'elettrolita preparato.

l Sigillare la cella per evitare perdite e garantire l'ermeticità. Questa fase può comportare la saldatura o la crimpatura dell'involucro della cella.

5. Formazione e test della batteria:

l Eseguire un processo di formazione della batteria, che prevede la carica e la scarica della batteria. In condizioni controllate per stabilizzarne le prestazioni e la capacità.

l Eseguire test di controllo della qualità. Assicurarsi che la batteria soddisfi gli standard specificati per tensione, capacità e sicurezza.

Tecnologia delle batterie al litio

La tecnologia delle batterie al litio comprende i vari componenti e materiali utilizzati nella costruzione delle batterie al litio, nonché i principi fondamentali che ne regolano il funzionamento. Esploriamo gli aspetti principali della tecnologia delle batterie al litio:

l Anodo: L'anodo di una batteria al litio è costituito da grafite o da altri materiali a base di carbonio. Durante il ciclo di scarica della batteria, l'anodo rilascia ioni di litio. E si muove verso il catodo

l Catodo: Il materiale del catodo varia a seconda del tipo di batteria al litio. I materiali catodici più comuni includono l'ossido di cobalto di litio (LiCoO2), il fosfato di ferro di litio (LiFePO4), l'ossido di manganese di litio (LiMn2O4), l'ossido di alluminio di nichel e cobalto di litio (LiNiCoAlO2) e l'ossido di cobalto di nichel e manganese (LiNiMnCoO2). Il catodo funge da ospite per gli ioni di litio durante il ciclo di carica della batteria.

l Separatore: Il separatore è una membrana porosa posta tra l'anodo e il catodo. Impedisce il contatto diretto e i cortocircuiti, consentendo il passaggio degli ioni di litio. Il separatore è costituito da un materiale polimerico. Il materiale polimerico presenta un'elevata conducibilità ionica e una bassa conducibilità elettronica.

l Elettrolita: L'elettrolita funge da mezzo di trasporto degli ioni di litio tra l'anodo e il catodo. Nella maggior parte delle batterie al litio si utilizza un elettrolita liquido, costituito da un sale di litio disciolto in un solvente organico. Come è noto, l'elettrolita consente il movimento degli ioni di litio durante i cicli di carica e scarica. Negli ultimi anni, gli elettroliti allo stato solido hanno guadagnato attenzione, per il loro potenziale di maggiore sicurezza e densità energetica.

l Collezionisti attuali: I collettori di corrente sono materiali conduttori. Favoriscono il flusso di corrente elettrica tra la batteria e i dispositivi esterni. Sono fatti di rame o di alluminio e sono collegati all'anodo e al catodo, fornendo un percorso per il flusso degli elettroni.

Applicazioni delle batterie al litio

Ecco alcune applicazioni comuni delle batterie al litio:

1. Elettronica di consumo: Le batterie al litio alimentano molti dispositivi di consumo. Tra cui smartphone, laptop, tablet, fotocamere digitali, console di gioco portatili e smartwatch. Le loro caratteristiche sono un'elevata densità energetica e prestazioni di lunga durata. Per questo sono ideali per i dispositivi elettronici portatili e compatti.

2. Veicoli elettrici (EV):  Le batterie al litio svolgono un ruolo fondamentale nell'elettrificazione dei trasporti. Allo stesso modo, le auto elettriche, i veicoli elettrici ibridi e i veicoli elettrici ibridi plug-in. Le batterie al litio offrono un'elevata densità energetica. Pertanto, consentono ai veicoli elettrici di ottenere un'autonomia di guida più lunga e prestazioni migliori.

3. Accumulo di energia rinnovabile: Si usa nei sistemi di accumulo dell'energia. Immagazzina l'elettricità. Inoltre, l'elettricità è generata da fonti rinnovabili come pannelli solari e turbine eoliche. Queste batterie aiutano a bilanciare la natura intermittente della generazione di energia rinnovabile. Inoltre, assicurano un'alimentazione costante e consentono applicazioni off-grid.

4. Aerospaziale e difesa: Le persone lo utilizzano nelle applicazioni aerospaziali. Tra cui satelliti, veicoli aerei senza equipaggio (UAV) e veicoli spaziali. Le loro caratteristiche sono il design leggero e l'alta densità energetica. Inoltre, sono adatti ad alimentare sistemi critici in questi ambienti difficili.

5. Utensili elettrici: Le batterie al litio hanno sostituito le vecchie tecnologie negli utensili elettrici. Ad esempio, trapani, seghe e avvitatori a impulsi a batteria. Offrono una maggiore densità di potenza, tempi di funzionamento più lunghi e un peso ridotto. Inoltre, offrono maggiore praticità e prestazioni per gli utenti professionali e del fai-da-te.

6. Dispositivi medici: Si va dalle apparecchiature diagnostiche portatili ai dispositivi impiantabili. Allo stesso modo, pacemaker e defibrillatori. Offrono una potenza di lunga durata, fattori di forma ridotti e prestazioni affidabili. Inoltre, garantiscono un funzionamento continuo e riducono la necessità di sostituire frequentemente le batterie.

Conclusione

È importante conoscerli e apprezzarne l'importanza nel mondo di oggi. I continui progressi porteranno in futuro a soluzioni di stoccaggio dell'energia più efficienti e sicure. Esse svolgono un ruolo fondamentale nel soddisfare il nostro fabbisogno energetico e nel ridurre l'impronta di carbonio. In conclusione, dovremmo impegnarci per un futuro sostenibile ed elettrificato.