La batteria agli ioni di litio richiede poca manutenzione, un vantaggio che la maggior parte degli altri prodotti chimici non può vantare. La batteria non ha memoria e non necessita di esercizio (scarica completa deliberata) per mantenerla in buone condizioni. L'autoscarica è inferiore alla metà di quella dei sistemi a base di nichel e questo aiuta le applicazioni relative all'indicatore del carburante. La tensione nominale delle celle di 3,60 V può alimentare direttamente telefoni cellulari, tablet e fotocamere digitali, offrendo semplificazioni e riduzioni dei costi rispetto ai progetti multi-cella. Gli svantaggi sono la necessità di circuiti di protezione per prevenire gli abusi, nonché il prezzo elevato.
Tipi di batterie agli ioni di litio
La Figura 1 illustra il processo.
La batteria agli ioni di litio richiede poca manutenzione, un vantaggio che la maggior parte degli altri prodotti chimici non può vantare. La batteria non ha memoria e non necessita di esercizio (scarica completa deliberata) per mantenerla in buone condizioni. L'autoscarica è inferiore alla metà di quella dei sistemi a base di nichel e questo aiuta le applicazioni relative all'indicatore del carburante. La tensione nominale delle celle di 3,60 V può alimentare direttamente telefoni cellulari, tablet e fotocamere digitali, offrendo semplificazioni e riduzioni dei costi rispetto ai progetti multi-cella. Gli svantaggi sono la necessità di circuiti di protezione per prevenire gli abusi, nonché il prezzo elevato.
La batteria originale agli ioni di litio di Sony utilizzava coke come anodo (prodotto di carbone). Dal 1997, la maggior parte dei produttori di ioni di litio, inclusa Sony, sono passati alla grafite per ottenere una curva di scarica più piatta. La grafite è una forma di carbonio che ha stabilità del ciclo a lungo termine e viene utilizzata nelle matite. È il materiale di carbonio più comune, seguito dai carboni duri e morbidi. I nanotubi di carbonio non hanno ancora trovato un uso commerciale negli ioni di litio poiché tendono ad impigliarsi e ad influenzare le prestazioni. Un materiale futuro che promette di migliorare le prestazioni degli ioni di litio è il grafene.
La Figura 2 illustra la curva di scarica della tensione di una moderna batteria agli ioni di litio con anodo di grafite e della prima versione di coke.
Sono stati provati diversi additivi, comprese le leghe a base di silicio, per migliorare le prestazioni dell'anodo di grafite. Sono necessari sei atomi di carbonio (grafite) per legarsi a un singolo ione di litio; un singolo atomo di silicio può legarsi a quattro ioni di litio. Ciò significa che l’anodo di silicio potrebbe teoricamente immagazzinare oltre 10 volte l’energia della grafite, ma l’espansione dell’anodo durante la carica rappresenta un problema. Gli anodi in silicone puro non sono quindi pratici e solo il 3-5% del silicio viene generalmente aggiunto all'anodo di un anodo a base di silicio per ottenere un buon ciclo di vita.
L'uso del titanato di litio nanostrutturato come additivo anodico mostra una durata del ciclo promettente, buone capacità di carico, eccellenti prestazioni a bassa temperatura e sicurezza superiore, ma l'energia specifica è bassa e il costo è elevato.
La sperimentazione con il materiale del catodo e dell'anodo consente ai produttori di rafforzare le qualità intrinseche, ma un miglioramento può comprometterne un altro. La cosiddetta “Cella Energetica” ottimizza l'energia specifica (capacità) per ottenere tempi di funzionamento lunghi ma con una potenza specifica inferiore; la “Power Cell” offre una potenza specifica eccezionale ma con capacità inferiori. La “Cella Ibrida” è un compromesso e offre un po’ di entrambi.
I produttori possono ottenere un'elevata energia specifica e un basso costo in modo relativamente semplice aggiungendo nichel al posto del più costoso cobalto, ma questo rende la cella meno stabile. Sebbene una start-up possa concentrarsi su un’elevata energia specifica e un prezzo basso per ottenere una rapida accettazione da parte del mercato, la sicurezza e la durata non possono essere compromesse. I produttori rinomati attribuiscono un'elevata integrità alla sicurezza e alla longevità.
La maggior parte delle batterie agli ioni di litio condividono un design simile costituito da un elettrodo positivo di ossido di metallo (catodo) rivestito su un collettore di corrente in alluminio, un elettrodo negativo (anodo) realizzato in carbonio/grafite rivestito su un collettore di corrente in rame, un separatore ed elettrolita costituito da sale di litio in un solvente organico. Maggiori informazioni, consultare teda Battery.com.
La tabella 3 riassume i vantaggi e i limiti degli ioni di litio.
Orario di pubblicazione: 26 giugno 2022