Lesezeit: 4 Minuten

Le batterie al litio sono gli accumulatori di energia più performanti attualmente presenti sul mercato. Vantano un’elevata densità energetica, durano a lungo, richiedono poca manutenzione e mantengono una capacità costante nel tempo. Queste batterie innovative possono essere caricate in qualsiasi momento, in modo da renderle adatte anche all’impiego su più turni di lavoro. A rendere tutto questo possibile, è la struttura e i materiali utilizzati per la produzione delle batterie. Il funzionamento delle batterie al litio è davvero semplice: l’energia elettrica viene accumulata all’interno delle batterie agli ioni di litio attraverso un processo chimico, e messa a disposizione dei dispositivi, ai quali vengono collegate, come possono essere gli elevatori elettrici.

Struttura e funzionamento batterie al litio

Una batteria agli ioni di litio è composta da molte celle singole, ognuna delle quali è costruita allo stesso modo e contiene le seguenti componenti:

  • Elettrodi positivi: il catodo della batteria agli ioni di litio è composto da un ossido metallico di litio che può contenere una quantità variabile di nichel, manganese e cobalto. Gli ossidi metallici vengono denominati anche metalli di transizione.
  • Elettrodi negativi: l’anodo è per lo più realizzato in grafite.
  • Elettrolita: per far sì che gli ioni di litio possano muoversi nella cella, e svolgere quindi la funzione di portatore di carica, l’elettrolita  presente nella batteria  dev’essere priva d’acqua. Al suo interno vengono sciolti Sali come l’esafluorofosfato di litio in una soluzione aprotica, come il dietilcarbonato. Nelle batterie ai polimeri di litio si usa, invece, un polimero di polivinildenfluoruro o di fluoruro di polivinilidene-esafluoropropene.
  • Separatore: per impedire cortocircuiti, viene installato un separatore tra gli elettrodi in tessuto non tessuto o fogli di polimero. Il separatore lascia passare gli ioni di litio ed è in grado di caricarsi di una grande quantità di ioni.

Il nome delle batterie agli ioni di litio, deriva dal sistema che rende possibile lo spostamento del litio in forma ionizzata tra gli elettrodi.  Inbase ai materiali usati per gli elettrodi le batterie si suddividono in diverse categorie. Con l’impiego di ioni in diversi metalli di transizione, possono variare però, la densità energetica, la tensione delle celle, la sensibilità termica, la capacità e la corrente di carica e scarica. Le batterie al litio possono essere costruite nelle seguenti varianti:

  • Batterie ai polimeri di litio: come elettrolita viene usata una pellicola a base di polimeri avente una consistenza gelatinosa. Questo metodo di costruzione permette di produrre delle batterie particolarmente piccole (meno di 0,1 mm di spessore) e di diverse forme. Con una densità energetica massima di 180Wh/kg risultano molto performanti, nonostante siano sensibili dal punto di vista meccanico, elettrico e termico.
  • Batterie al litio-ossido di cobalto: gli elettrodi positivi di questo tipo di batterie sono composti di litio-ossido di cobalto. L’anodo invece di grafite. Le batterie di questo tipo tendono al runaway termico, nel caso di sovraccarico.
  • Batterie al litio titanato: in questo caso gli elettrodi negativi, invece che in grafite, sono formati da  litio titanato. Questo permette una carica estremamente rapida e un impiego a basse temperature (fino a -40°C). Gli elettrodi positivi sono composti invece di litio-ossido di titano.
  • Batterie al litio-ferro-fosfato: ciascuna delle celle di questo tipo di batterie dispone di un catodo di litio-ferro-fosfato. L’elettrolita è in formato solido. Le batterie di questo tipo vantano di una densità energetica più bassa(di massimo 110 Wh/kg), e tendono a danneggiarsi meccanicamente, ma in compenso non soffrono il runaway termico. La curva di tensione di scarico di queste batterie porta ad un effetto memoria, seppur di gran lunga minore rispetto alle batterie NiCd (nichel-cadmio).

Come funziona una batteria al litio: scaricamento e ricaricamento

Il funzionamento delle batterie agli ioni di litio, si basa principalmente sul movimento costante del litio ionizzato tra gli elettrodi. Il flusso di ioni di litio bilancia il flusso di corrente esterno durante le fasi di caricamento e scaricamento, in questo modo gli elettrodi rimangono elettricamente neutri:

Struttura e funzione di una batteria agli ioni di litio

1.       Scaricamento

Se la batteria si scarica, ovvero la sua energia viene consumata da un dispositivo, ogni atomo di litio passa un elettrone agli elettrodi negativi. Con la ricarica attraverso il circuito elettrico esterno gli elettroni ritornano agli elettrodi positivi. Al contempo gli ioni di litio si muovono in egual misura dagli elettrodi negativi attraverso l’elettrolita e il separatore verso gli elettrodi positivi. Gli elettroni vengono inglobati negli elettrodi positivi, grazie ai cosiddetti ioni in metallo di transizione, fortemente ionizzati. Questo procedimento può essere differente in base al tipo di batteria. Diversamente dagli ioni di litio, questi ioni non sono mobili.

2.     Ricaricamento

Durante il caricamento delle celle degli accumulatori, gli atomi di litio non ionizzati si muovono dagli elettrodi positivi agli elettrodi negativi, attraverso il separatore. Qui vengono immagazzinati tra molecole di grafite. Il procedimento prende anche il nome di intercalazione; viene causato dal caricamento con corrente costante fino al raggiungimento della corrente nominale. Al raggiungimento della tensione di carica desiderata, la tensione nominale viene mantenuta, mentre il flusso di corrente diminuisce.

Nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio, viene installato un dispositivo elettronico di protezione, in modo da prevenire il surriscaldamento (runaway termico) e che le celle vengano danneggiate. Tale dispositivo varia a seconda della tipologia delle celle e assicura che non si verifichi né un sovraccarico né una scarica profonda.

Il separatore: elemento fondamentale per il corretto funzionamento

Il separatore delle batterie agli ioni di litio gestisce e assicura le reazioni elettrochimiche all’interno della batteria. Per farlo, isola i due elettrodi l’uno dall’altro, impedendo il verificarsi di cortocircuiti interni. Allo stesso tempo fa sì che, solamente gli ioni di litio, possano passare da una parte all’altra e muoversi quindi tra l’elettrodo negativo e positivo, rendendo il sistema permeabile. Inoltre, il separatore garantisce lo scambio di gas nelle celle chiuse della batteria al litio.

Per rendere tutto questo possibile, questa componente dev’essere realizzata con membrane microporose, che variano in base alle caratteristiche della batteria. A questo scopo si usano pellicole di polimeri, come nel caso delle batterie ai polimeri di litio, o separatori ceramici resistenti al calore. Grazie alla combinazione di tessuto non tessuto con un rivestimento ceramico, i separatori sono particolarmente flessibili e in grado di resistere a temperature fino a 700°.

Fonte dell’immagine:
© gettyimages.de – alengo