Composizione delle 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 la scarica e viceversa durante la carica.
Il Catodo
Il catodo è realizzato con un materiale composito (un composto di litio intercalato) e definisce il nome della cella della batteria Li-ion. I materiali più comuni per il catodo sono il LiCoO2 o il LiMn2O4. Questi materiali devono essere capaci di trattenere una grande quantità di litio senza subire significativi cambiamenti nella struttura, avere una buona stabilità chimica ed elettrochimica con l’elettrolita, essere buoni conduttori elettrici e diffusori di ioni di litio, e avere un costo contenuto.
L’Anodo
L’anodo è generalmente realizzato in grafite litia porosa (LixC6). La grafite litia ha una struttura a celle unitarie con una configurazione esagonale compatta (HCP). Nuovi materiali basati su silicone e altre miscele elementari sono in fase di ricerca. L’anodo rilascia elettroni al circuito esterno e si ossida durante la reazione elettrochimica.
Separatore
Un separatore è una membrana permeabile posizionata tra l’anodo e il catodo di una batteria. La sua funzione principale è mantenere separati i due elettrodi per prevenire cortocircuiti elettrici, consentendo al contempo il trasporto dei portatori di carica ionica necessari per chiudere il circuito durante il passaggio di corrente in una cellula elettrochimica. I separatori in Li-ion devono essere elettrochimicamente e chimicamente stabili rispetto all’elettrolita e ai materiali degli elettrodi.
Elettrolita
La scelta dell’elettrolita in tutte le batterie è critica per le prestazioni e la sicurezza. La maggior parte degli elettroliti utilizzati nelle batterie agli ioni di litio commerciali sono soluzioni non acquose, in cui il sale di esaflofosfato di litio (LiPF6) è sciolto in carbonati organici, in particolare miscele di carbonato di etilene (EC) con carbonato di dimetile (DMC), carbonato di propilene (PC), carbonato di dietile (DEC) e/o carbonato
di etile metile (EMC). Un buon elettrolita deve avere bassa reattività con altri componenti della cella, alta conduttività ionica, bassa tossicità, una vasta finestra di stabilità elettrochimica di tensione (0-5V) e stabilità termica.
Litio-ion vs Litio-polimero
Una distinzione importante è tra le batterie agli ioni di litio (Li-ion) e quelle al litio-polimero (LiPo). Mentre le batterie Li-ion usano un elettrolita liquido a base di sale di litio in solvente organico, le batterie LiPo impiegano un elettrolita polimerico solido (SPE), come ossido di polietilene (PEO), acrilonitrile poliacrilico (PAN), metacrilato di polimetile (PMMA) o fluoruro di polivinilidene (PVdF). Le batterie LiPo offrono energie specifiche più elevate rispetto ad altre batterie al litio, risultando ideali in sistemi dove il peso è un fattore cruciale, come dispositivi mobili, droni e alcuni veicoli elettrici.
Tipologie Comuni di Celle
Tra le più comuni tipologie di celle Li-ion vi è la batteria 18650, usata in numerosi computer portatili, utensili elettrici senza fili, alcune auto elettriche, monopattini elettrici, biciclette elettriche, power bank portatili e torce a LED. Queste batterie hanno una tensione nominale di 3,7 V.
Caratteristiche delle Batterie agli Ioni di Litio
Le batterie Li-ion, in generale, presentano una densità energetica elevata, assenza di effetto memoria e bassa autoscarica. Le caratteristiche di chimica, prestazioni, costo e sicurezza variano a seconda dei tipi di batterie agli ioni di litio. Nell’elettronica portatile, si utilizzano prevalentemente batterie al litio-polimero, con un catodo in ossido di cobalto di litio (LiCoO2) e un anodo in grafite, che offrono un’elevata densità energetica.
Considerazioni sulla Sicurezza
È importante distinguere le batterie primarie al litio non ricaricabili (come le celle a bottone CR2032 3V) dalle batterie agli ioni di litio o litio-polimero ricaricabili. Le batterie primarie contengono litio metallico, a differenza delle batterie agli ioni di litio. La sicurezza rimane un aspetto cruciale, in particolare il rischio di cortocircuito e fuga termica, che richiede un attento design e monitoraggio delle celle.
