La Degradazione delle Batterie agli Ioni di Litio a Causa dei Cicli di Carica e Scarica
Le batterie agli ioni di litio, comunemente note come batterie Li-ion, rappresentano una classe avanzata di batterie ricaricabili. Queste batterie si distinguono per la loro capacità di muovere gli ioni di litio dall’anodo al catodo attraverso un elettrolita durante la scarica e viceversa durante la carica. Il catodo è costituito da un composto di litio intercalato, che definisce la tipologia della cella Li-ion, mentre l’anodo è solitamente realizzato in grafite litidata porosa. L’elettrolita può essere liquido, polimerico o solido, e il separatore è poroso per consentire il trasporto degli ioni di litio, evitando cortocircuiti e surriscaldamenti.
Le batterie Li-ion sono ampiamente utilizzate in dispositivi elettronici portatili, strumenti elettrici senza fili, alcune auto elettriche, scooter elettrici, biciclette elettriche, power bank portatili e torce a LED. Tra i vari tipi, il modello 18650 è uno dei più comuni, con una tensione nominale di 3,7 V. È importante distinguere queste batterie dalle batterie primarie al litio (non ricaricabili), come le celle a bottone CR2032 3V, che contengono litio metallico.
Cause della Degradazione e dell’Invecchiamento delle Batterie Li-ion
Ogni ciclo di carica e scarica comporta una certa degradazione delle batterie ricaricabili. Questa degradazione è comunemente causata dal distacco del materiale attivo dagli elettrodi o dalla migrazione dell’elettrolita lontano dagli elettrodi. La vita utile di una batteria viene spesso specificata dai produttori in termini di “ciclo di vita”, indicando il numero di cicli necessari per raggiungere l’80% della capacità nominale della batteria.
Nelle batterie Li-ion, la degradazione e la diminuzione della capacità sono generalmente attribuite alla crescita dell’interfaccia elettrolita solido (SEI), un film formatosi a seguito delle reazioni tra gli elettrodi e l’elettrolita che ostacola la reazione degli ioni di litio con gli elettrodi. Con l’aumentare dello spessore di questo film, la cella subisce un deterioramento.
Le moderne batterie Li-ion 18650 hanno generalmente una vita di ciclo tipica di 300-500 cicli di carica e scarica. Tuttavia, in condizioni di elevato tasso di scarica (C-rate) o profondità di scarica (DOD), la vita utile può ridursi notevolmente, fino a 200 cicli.
Fattori di Stress e Impatto sulla Durata delle Batterie Li-ion
I fattori di stress, come profondità di scarica elevate, tassi di scarica elevati, temperature estreme e l’operatività a elevati stati di carica (SOC), possono influenzare negativamente la capacità delle celle e accelerare la loro degradazione.
Temperatura: La degradazione è fortemente dipendente dalla temperatura. A temperatura ambiente, la degradazione è minima, ma aumenta significativamente se le batterie vengono conservate o utilizzate in ambienti molto caldi o freddi. Inoltre, le batterie generano calore durante la carica e la scarica, soprattutto a correnti elevate. Le temperature elevate durante la ricarica possono accelerare la degradazione della batteria, e una ricarica a temperature superiori a 45 °C può ridurne le prestazioni.
Tasso di Scarica (C-rate): Tassi di scarica elevati generano più calore e causano l’innalzamento della temperatura della cella, attivando i meccanismi di degradazione a temperature elevate.
Profondità di Scarica (DOD): Nelle batterie Li-ion, la durata del ciclo di vita della cella dipende fortemente dalla DOD. La perdita di ioni di litio e di materiale elettrodo attivo è maggiore per cicli di scarica più profondi. A DOD elevate, possono verificarsi ulteriori meccanismi di degradazione, portando alla decomposizione e alla dissoluzione del materiale del catodo e alla riduzione della capacità.
Concludendo, per massimizzare la vita utile delle batterie Li-ion è fondamentale seguire le raccomandazioni del produttore e comprendere l’impatto dei vari fattori di stress sulla durata e le prestazioni della batteria.
