Caratteristiche delle Batterie agli Ioni di Litio
Le batterie agli ioni di litio, note anche come batterie Li-ion, rappresentano una tipologia avanzata di accumulatori secondari (ricaricabili). Sono composte da celle nelle quali gli ioni di litio si muovono dall’anodo attraverso un elettrolita verso il catodo durante la scarica, e viceversa durante la carica.
Vantaggi Principali
Le batterie agli ioni di litio presentano numerosi vantaggi, tra cui spiccano l’alta tensione delle celle, un’alta densità energetica e l’assenza dell’effetto memoria. Queste caratteristiche le rendono ideali per un ampio spettro di applicazioni, come nei computer portatili, attrezzi senza fili, alcune automobili elettriche, monopattini elettrici, la maggior parte delle biciclette elettriche, power bank portatili e torce a LED.
Composizione e Reazione Chimica
Il catodo è realizzato in un materiale composito (un composto di litio intercalato), mentre l’anodo è solitamente costituito da grafite litidata porosa. L’elettrolita può essere liquido, polimerico o solido. Il separatore è poroso per permettere il trasporto degli ioni di litio e prevenire il cortocircuito e il surriscaldamento della cella. Durante la scarica si verifica la seguente reazione: C6Li + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2.
Tipologie e Prestazioni
Esistono diverse tipologie di batterie agli ioni di litio, ognuna con caratteristiche specifiche in termini di chimica, prestazioni, costo e sicurezza. Ad esempio, i dispositivi elettronici portatili utilizzano principalmente batterie agli ioni di litio polimeriche, con un catodo in ossido di cobalto e litio (LiCoO2) e un anodo in grafite. Queste batterie offrono un’elevata densità energetica.
Parametri Importanti
Per comprendere e confrontare le prestazioni delle diverse batterie, è essenziale considerare alcuni parametri fondamentali.
Tensione della Cella
La tensione di una batteria elettrica è determinata dalla differenza di potenziale dei materiali che compongono gli elettrodi. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio opera a 3.8 volt.
Tensione di Taglio
La tensione di taglio è la tensione minima consentita e definisce lo stato di “scarica” della batteria. Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione di taglio di circa 3.2 V.
Capacità
La capacità coulometrica indica il totale di Ampere-ore disponibili quando la batteria viene scaricata a una certa corrente dallo stato di carica (SOC) del 100% fino alla tensione di taglio.
Tasso di Autodiscarica
Le batterie si autodischiaricano anche quando non sono collegate o in uso, a causa di reazioni chimiche interne. Le batterie agli ioni di litio hanno un tasso di autodiscarica tipicamente dichiarato dai produttori di circa l’1,5-2% al mese.
Degradazione
Ogni ciclo di carica-s
carica-scarica comporta una certa degradazione della batteria. La degradazione può avvenire per migrazione dell’elettrolita lontano dagli elettrodi o per distacco del materiale attivo dagli elettrodi. Le moderne batterie agli ioni di litio 18650, comunemente utilizzate nei laptop, hanno un ciclo di vita tipico di 300 – 500 cicli di carica-scarica.
Profondità di Scarica
La profondità di scarica (DOD) è una misura di quanta energia è stata prelevata da una batteria, espressa come percentuale della capacità totale. Ad esempio, da una batteria da 100 Ah dalla quale sono stati prelevati 40 Ah, si ha un DOD del 40%. Nelle batterie agli ioni di litio, la vita utile di una cella dipende fortemente dal DOD. A DOD elevati, possono verificarsi ulteriori meccanismi di degradazione, risultando nella decomposizione e dissoluzione del materiale del catodo e nella perdita di capacità.
Conclusioni
Le batterie agli ioni di litio rappresentano una tecnologia chiave nell’ambito delle soluzioni di accumulo di energia, grazie alla loro alta densità energetica, alla mancanza di effetto memoria e al basso tasso di autodiscarica. Tuttavia, è fondamentale comprendere le caratteristiche specifiche di queste batterie per ottimizzarne l’utilizzo e prolungarne la vita utile. La loro versatilità le rende adatte a un’ampia gamma di applicazioni, dalla microelettronica all’automotive, giocando un ruolo cruciale nell’evoluzione tecnologica contemporanea.
