Le batterie agli ioni di litio sono note per avere una densità di energia elevata, che è un altro modo per dire che per un dato peso hanno molta carica. E quando non vengono utilizzate, conservano la carica per un periodo più lungo rispetto ad altri tipi di batterie. Diversamente dalla maggior parte di tipi ricaricabili, le batterie agli ioni di litio non hanno "memoria", ovvero non devono venire scaricate completamente prima di poter essere ricaricate. Vi sono diversi tipi di batterie agli ioni di litio, ma in ogni caso vi è un elettrodo negativo, generalmente composto da carbonio, detto anodo. Vi sono inoltre un elettrodo positivo all'ossido di litio, detto catodo, e un elettrolita contenente un sale di litio. Ciascun tipo di cella della batteria produce una propria tensione e ha i propri punti di forza e deboli.
Lo svantaggio delle batterie agli ioni di litio è il loro potenziale di esplosioni e incendio, che possono verificarsi se vengono caricate in eccesso o troppo rapidamente con troppa corrente. A causa di questo rischio deve esservi un circuito di protezione da entrambe queste occorrenze. Il litio stesso può reagire in modo esplosivo quando è esposto ad acqua. Quindi le batterie agli ioni di litio devono essere solide per resistere a incidenti meccanici.
Come funzionano?
La struttura di base di una batteria agli ioni di litio include l'anodo, o terminale negativo, che è spesso composto da grafite, e il catodo, o terminale positivo, che può essere composto da ossido di litio. Un separatore impedisce ai terminali di toccarsi, ma è permeabile agli ioni di litio che fluttuano liberamente tra i terminali in una soluzione denominata elettrolita.
Figura 1: Cella di una batteria agli ioni di litio (fonte: Palladium Energy)
Come caricare e scaricare le batterie
Il funzionamento delle batterie agli ioni di litio si comprende meglio in termini di ossidazione (perdita di elettroni) e riduzione (guadagno di elettroni). Secondo un principio fondamentale della chimica, queste reazioni devono bilanciarsi tra loro. Per ogni guadagno deve esservi una perdita e per ogni ossidazione deve esservi una riduzione.
Durante la carica, l'ossidazione si verifica nel catodo (terminale positivo), che perde elettroni, bilanciata dalla riduzione o dal guadagno di elettroni nell'anodo (terminale negativo). Quando la batteria è completamente carica, gli ioni di litio caricati positivamente liberi verranno attratti dal terminale negativo.
Quando la batteria eroga potenza, gli elettroni fuoriescono dall'anodo (terminale negativo) tramite il dispositivo che la batteria alimenta e rientrano nel terminale positivo (catodo).
Il processo è inverso. Ora l'ossidazione si verifica nell'anodo (terminale negativo), mentre la riduzione si svolge nel catodo. Ora che il terminale negativo ha perso alcuni di questi elettroni, perde alcuni degli ioni caricati positivamente, che fluiscono di nuovo nel catodo. Il ciclo è completo.
Ossido di litio e cobalto
Il tipo di batteria agli ioni di litio scelto spesso per i dispositivi elettronici portatili è quello all'ossido di litio e cobalto, così denominato perché è la composizione (LiCoO2) dell'elettrodo positivo o catodo. L'anodo, l'elettrodo negativo, è in carbonio di grafite. Sono possibili densità di energia fino a 250 watt ore, un valore alto anche rispetto ad altre batterie agli ioni di litio. Un'unità con una potenza nominale, ad esempio, di 2 amperora non deve essere mai caricata con più di 2 ampere. Il fattore di sicurezza standard è 0,8 per una velocità di carica massima di 0,8 x 2,0 ampere o 1,6 ampere. Vi sono limitazioni simili per la velocità di scarica. È fondamentale che il circuito di controllo funzioni entro l'intervallo e che l'unità non ecceda la temperatura di utilizzo o esiste un serio rischio di incendio o esplosione. La tensione di esercizio tipica è 3,6 V, che, a parte la densità ad alta potenza, è ideale per l'alimentazione dei dispositivi elettronici mobili.
Ossido di cobalto, litio, nichel e manganese
Questo tipo di batteria agli ioni di litio ha una densità di energia inferiore, ma ha una durata maggiore rispetto all'ossido di litio e cobalto e viene spesso impiegata nei veicoli elettrici. La formula chimica per l'anodo è LiNiMnCo02 e questi tipi di batterie agli ioni di litio possono essere ricaricati con numerosi cicli senza deterioramento.
Nei veicoli elettrici, queste celle sono configurate in blocchi paralleli per distribuire corrente sufficiente, quindi questi blocchi vengono utilizzati in serie per offrire una tensione sufficiente per alimentare il motore elettrico di un'auto. La batteria completa è composta da diverse centinaia di celle. Ciò complica notevolmente i requisiti del circuito necessari per monitorare la tensione e la corrente di scarica, carica e temperatura, in quanto ciascuna cella deve essere monitorata separatamente.
Miglioramenti e innovazioni
Ora vengono prodotti molti altri tipi di batterie agli ioni di litio. In tutto il mondo vengono spese grandi quantità di denaro per migliorare questi tipi di batterie agli ioni di litio e per definire nuove formule.
Per i tipi NMC la ricerca viene eseguita con meno nichel e cobalto al posto di più manganese, in particolare litio. Il risultato è stato una densità di energia superiore senza i rischi di eccesso associati alle varietà all'ossido di litio e cobalto. Tuttavia sembra che finora le celle risultanti non possano essere ricaricate con un numero equivalente di cicli. Quando la ricerca dà i suoi frutti, significa che un numero inferiore di celle fornirà le watt ore, con il risultato diretto di batterie più leggere ed economiche.
Per tutte le batterie agli ioni di litio esistenti sul mercato, il processo di produzione comporta l'uso di materiali tossici, altamente infiammabili, che prevede l'utilizzo di apparecchiature di protezione estremamente costose che non possono emettere scintille. Le sostanze chimiche in uso non possono entrare nell'atmosfera o nella superficie freatica e anche ciò aumenta notevolmente i costi di produzione. Si prevede che una migliore comprensione delle sottigliezze dell'interazione chimica tra i vari componenti delle batterie agli ioni di litio consentirà un numero maggiore di manipolazioni nei processi di produzione, eliminando la necessità di questi elementi pericolosi. Se il risultato è positivo, significa che i costi delle batterie agli ioni di litio diminuiranno notevolmente.
Un'altra area di ricerca attiva è l'accelerazione del tempo di carica. In fondo ciò potrebbe essere addirittura più importante della densità di energia o addirittura portare all'accettazione dei veicoli elettrici da parte del pubblico. Una manipolazione che viene presa in considerazione è la regolazione degli impulsi della corrente di carica, a scapito dell'applicazione continua, cha ha dimostrato di ridurre il tempo di carica. Ciò comporta nuovi tipi di intermediazione chimica nei vari siti nell'ambito della batteria in corso di carica che non sono ancora stati compresi completamente. Anche lo sfruttamento di questa possibilità richiederà una comprensione migliore delle sostanze chimiche e della reazione dei componenti delle batterie nelle condizioni pressurizzate in una batteria funzionante.
Le batterie sono diventate un fattore limitante in molti campi di importanza fondamentale, tra cui i veicoli e i dispositivi mobili. I tipi correnti sono in corso di miglioramento e sono in via di sviluppo nuovi tipi. Ma per una generazione che è stata svezzata con la legge di Moore, questi progressi potrebbero non essere sufficientemente veloci. I laboratori universitari e aziendali in tutto il mondo stanno esplorando alternative radicali. Potrebbe conseguirne che le batterie agli ioni di litio verranno ricordate come un prodotto di transizione.