Cos’è una Batteria agli Ioni di Litio e Come Funziona
Le batterie agli ioni di litio, note anche come batterie Li-ion, sono un tipo di batteria secondaria (ricaricabile) in cui gli ioni di litio si muovono dall’anodo attraverso un elettrolita al catodo durante lo scarico, e viceversa durante la carica. Queste batterie sono ampiamente utilizzate in una vasta gamma di dispositivi elettronici portatili e veicoli elettrici.
Composizione e Tipologie
Una batteria Li-ion è composta da celle con un catodo di materiale composito (un composto di litio intercalato) e un anodo generalmente in grafite porosa litidata. L’elettrolita può essere liquido, polimerico o solido, mentre il separatore è poroso per consentire il trasporto degli ioni di litio e prevenire il cortocircuito e il runaway termico.
Funzionamento Chimico ed Elettrico
Le batterie Li-ion convertono l’energia chimica immagazzinata direttamente in energia elettrica attraverso un processo elettrochimico. Le reazioni fondamentali sono le reazioni redox spontanee nei due elettrodi, separati da un elettrolita conduttivo ionico ed elettricamente isolante.
Durante lo scarico, il litio nell’anodo di grafite-litio viene ossidato da Li a Li+ attraverso la reazione: C6Li → 6C (grafite) + Li+ + e–. Questi ioni di litio migrano attraverso l’elettrolita al catodo, dove vengono incorporati nel cobalto di ossido di litio riducendo il cobalto da uno stato di ossidazione +4 a +3: CoO2 (s) + Li+ + e– → LiCoO2 (s).
Prestazioni e Sicurezza
Le caratteristiche di chimica, prestazioni, costo e sicurezza variano tra i vari tipi di batterie agli ioni di litio. Le batterie a polimeri di litio, utilizzate nella maggior parte dell’elettronica portatile, offrono un’elevata densità energetica. In generale, le batterie Li-ion vantano un’elevata densità energetica, assenza di effetto memoria e bassa autoscarica.
Tipi Comuni di Batterie Li-ion
Un tipo comune di cella è la batteria 18650, utilizzata in molti computer portatili, attrezzi elettrici senza filo, alcuni veicoli elettrici, monopattini elettrici, la maggior parte delle biciclette elettriche, power bank portatili e torce a LED. La tensione nominale è di 3,7 V.
Differenze con le Batterie Primarie al Litio
È importante distinguere le batterie primarie al litio non ricaricabili, come le celle a bottone CR2032 3V, dalle batterie secondarie agli ioni di litio o ai polimeri di litio, che sono ricaricabili
. Le batterie primarie al litio contengono litio metallico, a differenza delle batterie agli ioni di litio.
Il Processo di Carica e Scarica
Durante la carica, gli ioni Li+ si spostano dall’anodo al catodo attraverso l’elettrolita, mentre gli elettroni viaggiano nel circuito esterno in direzione opposta. Durante la scarica, gli elettroni fluiscono attraverso il circuito esterno dall’anodo al catodo, abbassando il potenziale chimico della cella e trasferendo energia all’esterno. Queste reazioni possono essere invertite per ricaricare la cella.
Principi Chimici e Materiali delle Batterie Li-ion
La chimica delle batterie Li-ion sfrutta metalli ad alta energia come il litio, non stabilizzati da legami d-elettroni, rendendoli ideali per batterie ad alta tensione ed energia. Il litio è il metallo più leggero con una capacità specifica elevata (3,86 Ah/g) e un potenziale elettrodo molto basso (−3,04 V rispetto all’elettrodo standard a idrogeno). I materiali del catodo sono generalmente costruiti da LiCoO2 o LiMn2O4, mentre gli anodi sono tradizionalmente in grafite e altri materiali a base di carbonio.
Conclusione
Le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato il mondo dell’energia portatile, offrendo prestazioni elevate e affidabili in un’ampia varietà di applicazioni. Con la loro tecnologia avanzata e versatilità, continueranno a svolgere un ruolo cruciale nello sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili.
