Celle Cilindriche vs. Prismatiche vs. a Sacchetto nelle Batterie agli Ioni di Litio
Le batterie agli ioni di litio, note anche come batterie Li-ion, sono un tipo di batteria secondaria (ricaricabile) composta da celle in cui gli ioni di litio si muovono dall’anodo attraverso un elettrolita verso il catodo durante lo scarico e viceversa durante la ricarica. Il catodo è costituito da un materiale composito (un composto di litio intercalato) e definisce il nome della cella della batteria Li-ion. L’anodo è solitamente realizzato in grafite litidata porosa. L’elettrolita può essere liquido, polimerico o solido. Il separatore è poroso per consentire il trasporto degli ioni di litio e previene il cortocircuito della cella e la fuga termica. Chimica, prestazioni, costo e caratteristiche di sicurezza variano a seconda dei tipi di batterie agli ioni di litio.
Utilizzo nelle Elettroniche Portatili
Le elettroniche portatili utilizzano principalmente batterie al litio polimero (con un gel polimerico come elettrolita), un materiale del catodo in ossido di cobalto di litio (LiCoO2) e un anodo in grafite, che offrono un’alta densità energetica. Le batterie Li-ion, in generale, presentano un’alta densità energetica, assenza di effetto memoria e bassa autoscarica. Uno dei tipi più comuni di celle è la batteria 18650, utilizzata in molte batterie per computer portatili, utensili elettrici senza fili, alcune auto elettriche, monopattini elettrici, la maggior parte delle biciclette elettriche, power bank portatili e torce LED. La tensione nominale è di 3,7 V.
Confronto tra le Diverse Tipologie di Celle
Le celle Li-ion (a differenza delle batterie complete) sono disponibili in varie forme, generalmente divise in tre gruppi:
Celle Cilindriche: con corpi solidi senza terminali, come quelle utilizzate nelle batterie più vecchie per laptop. Le celle cilindriche sono realizzate in modo caratteristico a “rotolo di gelatina”, ovvero un lungo “sandwich” unico dell’elettrodo positivo, separatore, elettrodo negativo e separatore arrotolato in un unico spool. Un vantaggio delle celle cilindriche rispetto a quelle con elettrodi impilati è la maggiore velocità di produzione. Uno svantaggio può essere un grande gradiente di temperatura radiale all’interno delle celle che si sviluppa ad alte correnti di scarica.
Celle a Sacchetto o Piatte: con un corpo morbido e piatto, come quelle utilizzate in telefoni cellulari e laptop più recenti; sono batterie al litio polimero. Le celle a sacchetto non hanno un involucro rigido e utilizzano un contenitore flessibile sigillato in lamina come contenitore della cella. Questo approccio minimalista al confezionamento riduce il peso e porta a celle flessibili che possono adattarsi facilmente allo spazio disponibile di un dato prodotto. Per le batterie a sacchetto, l’assenza di un involucro conferisce alle celle a sacchetto la più alta densità energetica gravimetrica. Queste batterie sono sempre più popolari tra i produttori di smartphone. Il loro design morbido e leggero offre anche più misure di sicurezza rispetto agli involucri metallici rigidi. Quando si verifica un problema critico con una cella a sacchetto – spesso a causa di surriscaldamento della pressione interna o cortocircuito delle batterie – il pacco si espande notevolmente con il gas.
Celle Prismatiche: con custodia rigida in plastica. Le celle prismatiche della batteria agli ioni di litio sono più sottili e leggere delle celle cilindriche. Queste celle
, contenute in involucri rettangolari in alluminio o acciaio, presentano una durata piuttosto lunga ma non sono facili da raffreddare rispetto alle loro controparti cilindriche.
Considerazioni sulla Sicurezza e Sostenibilità
La sicurezza e la sostenibilità sono aspetti cruciali nel design delle batterie agli ioni di litio. Ogni tipo di cella presenta vantaggi e sfide unici in termini di sicurezza. Ad esempio, mentre le celle cilindriche possono sviluppare gradienti di temperatura, le celle a sacchetto possono gonfiarsi in caso di guasti interni. Questo richiede strategie di gestione termica e di sicurezza specifiche per ogni tipo di cella. La scelta del materiale dell’anodo e del catodo, insieme al design del separatore e dell’elettrolita, influisce anche sulla sicurezza complessiva della cella.
Implicazioni Ambientali
L’impatto ambientale delle batterie agli ioni di litio è un’altra considerazione importante. Il riciclaggio e lo smaltimento sicuro delle batterie usate sono essenziali per ridurre l’impatto ambientale. Inoltre, la ricerca è in corso per sviluppare materiali più sostenibili e processi di produzione che riducano l’impronta ecologica delle batterie Li-ion.
Conclusione
In conclusione, le celle cilindriche, prismatiche e a sacchetto offrono diverse opzioni per vari dispositivi e applicazioni. La scelta tra queste dipende da fattori come la densità energetica, la sicurezza, il costo e l’impatto ambientale. Con l’evoluzione continua della tecnologia delle batterie, è probabile che vedremo ulteriori innovazioni e miglioramenti in ciascuno di questi tipi di celle nelle batterie agli ioni di litio.
