Le batterie al litio: struttura e funzioni

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Le batterie agli ioni di litio sono costituite da diverse celle singole. Grazie al loro particolare design e ai materiali utilizzati, garantiscono elevate prestazioni anche dopo lunghi periodi di funzionamento. Inoltre puoi ricaricare queste innovative batterie anche in corso d’opera, in modo che possano essere utilizzate senza problemi in funzionamento su più turni. In questa guida potrai scoprire la struttura delle batterie agli ioni di litio, quali metalli contengono e come funzionano.

Un concentrato di energia: Struttura delle batterie al litio

Una batteria agli ioni di litio è composta da molte celle singole, identiche tra loro e contenenti 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. Per questo 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 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. Infatti isola i due elettrodi l’uno dall’altro, impedendo il verificarsi di cortocircuiti interni. Allo stesso tempo permette solo agli  ioni di litio di 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.

Quindi, per un corretto funzionamento del separatore, questa componente dev’essere realizzata con membrane microporose che variano in base alle caratteristiche della batteria. A questo scopo si usano pellicole di polimeri, nel caso delle batterie ai polimeri di litio, o separatori ceramici resistenti al calore. Inoltre, 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°.

Il sistema di gestione della batteria – ottimizzazione delle funzioni

Solitamente, ogni modulo, costituito dalla combinazione di più celle, contiene un sistema di controllo integrato. Il componente elettrico più importante è il sistema di gestione della batteria (BMS). Questo è composto da diverse parti: OBS (one board sense) e SCU (stack control unit) che si trovano sul modulo; la BCU (unità di controllo della batteria) che riassume tutte le informazioni dei singoli moduli. Quindi, nel complesso, il BMS funge da interfaccia tra il dispositivo e la batteria. Inoltre, ottimizza la capacità, l’energia e le prestazioni della batteria, previene la scarica profonda anche in caso di stoccaggio della batteria al litio per un lungo periodo, e ne prolunga così la vita utile.

Metalli pregiati per una struttura funzionale

I diversi nomi delle batterie agli ioni di litio derivano dal tipo di sistema che rende possibile lo spostamento del litio in forma ionizzata tra gli elettrodi. Infatti, con l’impiego di ioni in diversi metalli di transizione, possono variare la densità energetica, la tensione delle celle, la sensibilità termica, la capacità e la corrente di carica e scarica.Quindi, in base ai materiali usati per costruire gli elettrodi, le batterie si suddividono in diverse categorie:

• 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 possono andare incontro al runaway termico in caso di sovraccarico.
• Batterie al litio titanato: in questo caso, gli elettrodi negativi, invece che in grafite, sono in  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 hanno 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).

Funzionamento di una batteria al litio: la scarica e la ricarica

Le batterie agli ioni di litio funzionano secondo un semplice principio: l’energia elettrica nelle batterie  viene immagazzinata da un processo chimico e resa utilizzabile per azionare dispositivi come i carrelli elevatori elettrici.

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 carica e scarica, in questo modo gli elettrodi rimangono elettricamente neutri:

1. Scarica

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. Allo stesso tempo, gli ioni di litio si muovono in egual misura dagli elettrodi negativi verso gli elettrodi positivi, attraverso l’elettrolita e il separatore. 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, gli ioni in metallo di transizione non sono mobili.

2. Ricarica

Durante il caricamento delle celle degli accumulatori, gli atomi di litio non ionizzati si muovono, attraverso il separatore, dagli elettrodi positivi agli elettrodi negativi. Qui vengono immagazzinati tra molecole di grafite. Il procedimento, che 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.

Domande frequenti su struttura e funzioni delle batterie al litio

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