Accumulatore agli ioni di litio

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Accumulatore agli ioni di litio
Specifiche accumulatore
Energia/peso 160 Wh/kg
Energia/volume 270 Wh/L
Potenza/peso 1800 W/kg
Efficienza di carica/scarica 99,9%[1]
Energia/prezzo 2,8-5 Wh/US$[2]
Velocità autoscarica 5%-10%/mese
Tempo di vita (24-36) mesi
Cicli vita 1200 cicli
Tensione nominale cella 3,6 / 3,7 V
Temperature di carica

La batteria ricaricabile nota come accumulatore agli ioni di litio (a volte abbreviato Li-Ion) è un tipo di batteria comunemente impiegato nell'elettronica di consumo. È attualmente uno dei tipi più diffusi di batteria per laptop e telefono cellulare, nonché per alcune auto elettriche, con uno dei migliori rapporti peso/potenza, nessun effetto memoria ed una lenta perdita della carica quando non è in uso. Tali batterie possono essere pericolose se impiegate impropriamente e se vengono danneggiate, e comunque, a meno che non vengano trattate con cura, si assume che possano avere una vita utile più corta rispetto ad altri tipi di batteria. Una versione più avanzata della batteria agli ioni di litio è l'accumulatore litio-polimero.

Accumulatore agli ioni di litio, Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Germania
Cella cilindrica, prima della chiusura (18650)

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Gilbert N. Lewis fabbricò le prime batterie al litio nel 1912; le prime pile non ricaricabili furono create nei primi anni settanta. La batteria ricaricabile agli ioni di litio necessitò di altri venti anni di sviluppo prima che fosse sicura abbastanza per essere usata in massa sul mercato e la prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel 1991, a seguito di una ricerca di un team diretto da John B. Goodenough.

Vantaggi e svantaggi[modifica | modifica wikitesto]

Vantaggi[modifica | modifica wikitesto]

Le batterie agli ioni di litio possono essere costruite in una vasta gamma di forme e dimensioni, in modo da riempire efficientemente gli spazi disponibili nei dispositivi che le utilizzano.

Tali batterie sono anche più leggere delle equivalenti fabbricate con altri componenti chimici - spesso molto più leggere. Questo perché gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata - la più alta di tutti gli ioni che si sviluppano naturalmente. Gli ioni di litio sono piccoli e mobili ma immagazzinabili più rapidamente di quelli di idrogeno. Inoltre una batteria basata sul litio è più piccola di una con elementi di idrogeno, come le batterie all'idruro metallico di nichel e con meno gas volatili. Gli ioni necessitano di meno intermediari per l'immagazzinamento, cosicché è possibile destinare per la carica invece che per l'overhead una quota maggiore di peso della batteria.

Le batterie Li-ion non soffrono dell'effetto memoria. Hanno anche un basso ritmo di auto-scarica approssimativamente del 5% mensile, paragonato rispettivamente all'oltre 30% mensile e 20% mensile delle batterie all'idruro metallico di nichel e al nichel-cadmio. In effetti, le batterie Li-Ion (in particolare le batterie al Li-Ion "stupide") non hanno processi di auto-scarica nel significato abituale della parola[3] ma soffrono di una lenta perdita permanente di capacità, descritta in maggior dettaglio sotto. D'altro canto, le pile al Li-Ion "intelligenti" si auto-scaricano lentamente, a causa del piccolo consumo del circuito di monitoraggio della tensione inserito in esse; questo consumo è la sorgente più importante di auto-scarica in queste batterie.

Svantaggi[modifica | modifica wikitesto]

Il principale svantaggio della batteria agli Ioni di Litio è che presenta un degrado progressivo anche se non viene utilizzata (ha una durata di conservazione fissa, in inglese shelf life, a partire dal momento della fabbricazione, indipendentemente dal numero di cicli di carica/scarica)[4].

Ad un livello di efficienza del 100%, una tipica batteria Li-Ion per calcolatore portatile caricata al 25% e conservata a 25 °C perderà fino al 20% della sua capacità all'anno. Tuttavia la batteria di un computer portatile poco ventilato potrebbe venire esposta a temperature più alte, abbreviandone ulteriormente la durata, a causa della formazione di dendriti di Litio[senza fonte]. Questo tipo di degrado peggiora con l'aumento della temperatura di conservazione e dello stato di carica.

Per questo gli accumulatori Li-Ion non sono adatti ad essere usati come fonte secondaria di energia: per questa applicazione sono più indicati gli accumulatori al piombo, o anche le batterie al Ni-MH.

La potenza massima che può essere prelevata in continuo dalla batteria dipende dalla capacità, nei dispositivi che richiedono alta potenza (relativa alla capacità della batteria espressa in A·h), computer portatili e videocamere, le batterie al Li-Ion spesso si guastano bruscamente anziché mostrare una graduale diminuzione della durata di uso del dispositivo. Al contrario, dispositivi che richiedono bassa potenza, come i telefoni portatili, possono sfruttare l'intero ciclo di vita della batteria.

Una pila al Li-Ion singola non va mai scaricata sotto una certa tensione, per evitare danni irreversibili. Di conseguenza tutti i sistemi che utilizzano batterie al Li-Ion sono equipaggiati con un circuito che spegne il sistema quando la batteria viene scaricata sotto la soglia predefinita[5]. Dovrebbe dunque essere impossibile scaricare la batteria "profondamente" in un sistema progettato per funzionare correttamente durante il normale uso. Questa è anche una delle ragioni per cui le pile al litio non vengono mai vendute da sole ai consumatori, ma solo come batterie finite progettate per adattarsi ad un sistema particolare.

Quando il circuito di monitoraggio della tensione è montato all'interno della batteria (la cosiddetta "batteria intelligente") anziché come equipaggiamento esterno, e consuma continuamente una piccola corrente dalla batteria anche quando non è in uso, la batteria non va a maggior ragione immagazzinata per lunghi periodi completamente scarica, per evitare danni permanenti.

Le batterie Li-Ion non sono durature come quelle al nichel metal-idruro o al nichel-cadmio e possono essere pericolose se se ne sbaglia l'utilizzo. Di solito sono anche più costose.

Un problema delle batterie a base di Litio è l'approvvigionamento della materia prima: il litio è disponibile in natura in quantità limitata e richiede processi di estrazione particolarmente complicati e costosi; il mercato è in mano a pochi produttori, SQM, FMC e CHEMETALL.

Pericolosità della batteria Li-ion[modifica | modifica wikitesto]

La chimica delle batterie Li-Ion non è sicura come le altre: una batteria Li-Ion può esplodere se surriscaldata o caricata eccessivamente. Un accumulatore agli ioni di litio richiede diversi sistemi di sicurezza obbligatori al suo interno, prima che si possa considerare sicuro per l'uso comune. Questi includono un interruttore termico (per prevenire il surriscaldamento in caso di sovraccarico) e una linguetta di sicurezza con valvola di sfiato (per controllare la pressione interna). Nonostante queste caratteristiche di sicurezza, le batterie Li-Ion sono soggette a frequenti richiami in fabbrica; inoltre, i sistemi di controllo occupano spazio utile all'interno delle pile, oltre ad aggiungere ulteriori possibilità di guasto. Di solito, in caso di problemi a questi sistemi, la pila è resa inutilizzabile permanentemente e irreversibilmente.

Il numero di caratteristiche di sicurezza può essere paragonato con quello della pila al nichel metal-idruro, la quale ha solo un sistema di ricombinazione dell'idrogeno/ossigeno (che previene il danno da lieve sovraccarica) e una valvola di sicurezza per le sovrapressioni.

Specifiche e design[modifica | modifica wikitesto]

  • Densità specifica di energia: da 150 a 200 W·h/kg (da 540 a 720) kJ/kg)
  • Densità volumetrica di energia: da 250 a 530 W·h/L (da 900 a 1900 J/cm3)
  • Densità specifica di potenza: da 300 a 1500 W/kg (@ 20 secondi[6] e 285 W·h/L)

Una reazione chimica tipica della batteria al Li-Ion è come segue:

\mathrm{Li}_{\frac12} \mathrm{Co} \mathrm{O}_2 + \mathrm{Li}_{\frac12}\mathrm{C}_6 \leftrightarrow \mathrm{C}_6 + \mathrm{Li}\mathrm{Co}\mathrm{O}_2

Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione di circuito aperto nominale di 3.6 V e una tensione di ricarica tipica di 4.2 V. La procedura di ricarica è a tensione costante con limite di corrente. Questo significa caricare con corrente costante finché una tensione di 4.2 V viene raggiunta dalla pila e continua con tensione costante finché la corrente diventa nulla o quasi. (Tipicamente la carica viene terminata al 7% della corrente iniziale di carica). Le vecchie batterie agli ioni di litio non potevano essere caricate velocemente e necessitavano tipicamente di almeno 2 ore per ricaricarsi completamente. Le pile della generazione attuale si ricaricano completamente in 45 minuti o meno; alcune raggiungono il 90% di carica in appena 10 minuti.

Il design interno delle pile a ione di litio è come segue. L'anodo è fatto con carbonio, il catodo è un ossido metallico, e l'elettrolita è un sale di litio in solvente organico. Poiché il metallo di litio, che potrebbe essere prodotto in condizioni irregolari di ricarica, è molto reattivo e può causare esplosioni, le pile agli ioni di litio solitamente hanno incorporati circuiti elettronici protettivi e/o fusibili per evitare l'inversione di polarità, sovraccarichi di tensione e surriscaldamento.

Interfase Elettrolitico Solido[modifica | modifica wikitesto]

Un elemento particolarmente importante per attivare le batterie agli ioni di litio è l'"interfase elettrolitico solido" (SEI). Gli elettroliti liquidi nelle batterie agli ioni di litio consistono in elettroliti di sali di litio, come l'esafluorofosfato (LiPF6), il tetrafluoborato (LiBF4), o il perclorato (LiClO4), e solventi organici, come l'etere. Un elettrolito liquido conduce ioni di litio, il quale agisce come trasporto tra il catodo e l'anodo quando una batteria fa passare una corrente elettrica attraverso un circuito esterno. Tuttavia, elettroliti solidi e solventi organici si decompongono facilmente sugli anodi durante la carica, impedendo l'attivazione della batteria. Eppure, quando solventi organici appropriati vengono usati come elettroliti, gli elettroliti si decompongono e formano un'interfaccia elettrolitica solida alla prima carica che è isolante elettricamente e altamente conduttiva per gli ioni di litio. L'interfaccia previene la decomposizione degli elettroliti dopo la seconda carica. Per esempio, il carbonato di etilene si decompone relativamente ad un alto voltaggio, e forma una interfaccia forte e stabile. Questa interfaccia viene chiamata SEI.

Vedi triossido di uranio per avere dettagli su come lavora il catodo. Mentre gli ossidi di uranio non vengono usati nelle batterie commerciali, il modo in cui gli ossidi di uranio possono reversibilmente inserire cationi è lo stesso in cui lavora in molte pile agli ioni di litio.

Guida al prolungamento della vita di una batteria al Li-Ion[modifica | modifica wikitesto]

  • A differenza delle batterie al nichel-cadmio, quelle al litio andrebbero caricate presto e spesso.
  • Le batterie al litio non dovrebbero mai essere scaricate completamente (0%) e neppure conservate scariche.
  • Se ricaricate completamente, dovrebbero essere impiegate il prima possibile.
  • Per la conservazione delle batterie agli ioni di litio, quando non vengono utilizzate per un lungo periodo, è da preferire una ricarica di circa il 50%.
  • Le batterie al Li-Ion andrebbero mantenute fredde (idealmente in un frigorifero). L'invecchiamento è molto più rapido alle alte temperature. Ad esempio, le alte temperature, all'interno delle automobili, provocano un degrado rapido di tali batterie.
  • Secondo alcune fonti[7], le batterie al Li-Ion non andrebbero congelate. Da notare che la maggior parte delle batterie al Li-Ion congelano approssimativamente a -40 °C, molto meno della più bassa temperatura raggiungibile dalla maggior parte dei freezer casalinghi.
  • Le batterie al Li-Ion andrebbero comperate solo quando necessarie, a causa del fatto che l'invecchiamento comincia ad agire da quando sono state fabbricate.
  • Quando si utilizza un computer portatile, collegato alla rete elettrica per lunghi periodi, la batteria può essere rimossa e conservata in un luogo fresco, cosicché non subisca il calore prodotto dal computer; tuttavia le batterie, quando inserite, prevengono le perdite di dati in memoria, durante sbalzi di tensione e/o blackout. Buone alternative sono l'uso di batterie ormai quasi esaurite, che aiutino a compensare un breve blackout, oppure l'uso di un gruppo di continuità.

Temperatura e carica di immagazzinaggio[modifica | modifica wikitesto]

Immagazzinare una batteria agli ioni di litio a temperatura e carica corrette fa la differenza per mantenere la sua capacità di carica. La seguente tabella mostra la perdita di carica permanente che c'è con immagazzinaggio ad un livello di carica e una temperatura dati.

Perdita Permanente di Capacità contro Condizioni di Immagazzinaggio
Temperatura di deposito 40% di Carica 100% di Carica
0 °C (32 °F) 2% di perdita dopo 1 anno 6% di perdita dopo 1 anno
25 °C (77 °F) 4% di perdita dopo 1 anno 20% di perdita dopo 1 anno
40 °C (104 °F) 15% di perdita dopo 1 anno 35% di perdita dopo 1 anno
60 °C (140 °F) 25% di perdita dopo 1 anno 40% di perdita dopo 3 mesi
Source: batteryuniversity.com[8]

C'è un significativo beneficio nell'evitare di depositare una batteria agli ioni di litio a piena carica. Una batteria Li-Ion depositata al 40% di carica durerà molto di più di una depositata al 100%, particolarmente alle alte temperature.

Se una batteria agli ioni di litio viene depositata con troppa poca carica, c'è il rischio di permettere alla carica di cadere sotto la soglia di basso-voltaggio, risultando in una batteria irrecuperabile. Una volta che la carica è scesa sotto tale livello, ricaricarla può essere pericoloso. Un circuito interno di sicurezza si aprirà per impedire la ricarica, e la batteria sarà completamente inutilizzabile per tutti gli scopi pratici.

In circostanze in cui una seconda batteria al litio sia disponibile per un certo strumento, è raccomandabile che la batteria inutilizzata sia scaricata al 40% e messa in frigorifero per prolungare la sua vita di scaffale. Bisognerebbe dare alle batterie il tempo di riscaldarsi alla temperatura ambiente per 24 ore prima di ogni carica o scarica.

Problemi di sicurezza[modifica | modifica wikitesto]

Le batterie agli ioni di litio si possono facilmente rompere, prendere fuoco o esplodere quando sono esposte alle alte temperature, o alla luce diretta del sole. Non dovrebbero essere tenute in macchina durante il periodo caldo. Cortocircuitare una batteria al litio può causare incendi ed esplosioni.

Il contenitore di una batteria al Li-Ion non va mai aperto per nessun motivo, esse contengono dispositivi di sicurezza che proteggono le pile, se danneggiati, queste possono anche causare l'incendio o l'esplosione della batteria.

Questi dispositivi di sicurezza talvolta risultano inefficaci, per esempio nel caso in cui vi siano contaminanti all'interno delle pile. Il richiamo di più di 10 milioni di batterie utilizzate in laptop Dell, Apple, Lenovo/IBM, Panasonic, Toshiba, Hitachi, Fujitsu e Sharp da parte della Sony a metà del 2006 fu una conseguenza della contaminazione interna da parte di particelle metalliche. Sotto certe circostanze, queste possono perforare il separatore, cortocircuitandole e convertendo rapidamente tutta l'energia della pila in calore[9].

Kuzhikalail M. Abraham, un consulente sulle batterie al litio della E-Kem Sciences, dice che la spinta dell'industria dei computer ad aumentare la capacità delle batterie può testare i limiti dei componenti sensibili, come la membrana separatrice, una pellicola di polietilene o polipropilene spessa soltanto 20-25 µm. Precisa che la densità di energia delle batterie agli ioni di litio è più che raddoppiata da quando sono state introdotte nel 1991. Egli dice "Quando imballate la batteria con sempre più materiale, la pellicola può subire stress".

Il richiamo delle batterie per laptop della Dell della metà del 2006 non è stato il primo, ma solo il più grande. Durante la passata decade ci sono stati numerosi richiami di batterie agli ioni di litio in telefoni cellulari e laptop dovuti a problemi di surriscaldamento. Lo scorso dicembre, la Dell ritirò circa 22.000 batterie dal mercato americano. Nel 2004, la Kyocera Wireless richiamò circa un milione di batterie usate nei telefoni.[10].

"È possibile rimpiazzare il catodo in ossido di litio e cobalto nelle batterie agli ioni di litio con catodi in metallo fosfato litiato, che non esplode e ha anche una maggiore vita di scaffale. Ma per il momento queste batterie più sicure sembrano principalmente destinate alle automobili elettriche e altre applicazioni che necessitano grandi capacità, e dove le problematiche di sicurezza sono più critiche... Il fatto è che il metallo fosfato litiato tiene soltanto circa il 75 percento della capacità..." (ref:[11]).

Nuove tecnologie[modifica | modifica wikitesto]

Nel febbraio del 2005, la Altair NanoTechnology[12], una piccola marca di Reno, Nevada, annunciò un materiale per elettrodi di batterie al litio di dimensioni nanoscopiche. Il prototipo della batteria ha tre volte la potenza delle attuali batterie e può essere pienamente ricaricato in 6 minuti.

Nel marzo 2005, la Toshiba ha annunciato un'altra batteria al litio a ricarica veloce, basata su una nuova tecnologia di nanomateriali, che procurano una ricarica ancora più veloce, una capacità più grande e un ciclo di vita più lungo. La batteria potrà essere utilizzata primariamente in settori industriali o negli autotrasporti[13].

Nel novembre 2005, la A123Systems annunciò[14] una nuova batteria ancora più potente e ricaricabile più velocemente[15][16] basata su di una ricerca autorizzata dal MIT. La loro prima pila[17] è in produzione (2006) e viene usata negli attrezzi di potenza[18] e in conversioni Hybrids Plus[19] Prius PHEV (anche se la conversione costa più del prezzo dell'auto, soprattutto a causa del costo delle batterie).

Tutte queste formulazioni coinvolgono nuovi elettrodi. Aumentando l'area effettiva dell'elettrodo - diminuendo la resistenza interna della batteria - la corrente può essere aumentata sia durante l'uso che la ricarica. Questo è simile agli sviluppi ottenuti con il supercondensatore. Di conseguenza la batteria è capace di rilasciare più potenza (in watt); tuttavia, la capacità della batteria (amperora) è aumentata solo di poco.

Nell'aprile 2006, un gruppo di scienziati del MIT annunciò di aver trovato un modo per utilizzare i virus per formare cavi nanoscopici che possono essere usati per costruire batterie agli ioni di litio ultra sottili con tre volte la normale densità di energia[20].

Nel 2009 la nuova Mercedes-Benz S 400 BlueHYBRID vedrà l’inserimento integrato delle batterie agli ioni di litio all'interno del circuito di climatizzazione dell'auto, con il vantaggio di far funzionare sempre la batteria ad una temperatura ottimale (15-35 °C) e di aumentare la durata ed il rendimento di esercizio. La Daimler, casa costruttrice dell'auto in questione, è inoltre in fase avanzata di realizzazione di una speciale tipologia di cella piatta per ospitare la batteria che offre alta densità di energia in un ingombro ridotto e con elevati livelli di sicurezza.

Sviluppi più recenti[modifica | modifica wikitesto]

Nel giugno del 2006, ricercatori in Francia hanno creato elettrodi di batteria in nanostrutture con capacità che ammontano a parecchie volte la capacità energetica, per peso e volume, degli elettrodi convenzionali[21].

Alla fine del 2009 è stata presentata una soluzione per risolvere il problema dell'esplosione di una di queste batterie in cortocircuito, si tratta d'inserire dei reagenti che bloccano la reazione chimica qualora la batteria raggiunga i 130 °C evitando di fatto l'esplosione[22].

Un'altra possibile soluzione o palliativo al problema dell'esplosione della batteria è stata presentata dalla Apple, la quale ha presentato uno schema di una batteria munita di un involucro di rivestimento munito con delle sacche e punti deboli per l'evacuazione dei vapori prodotti durante il cortocircuito[23]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Isidor Buchmann, BatteryUniversity.com: Charging lithium-ion batteries, Cadex Electronics Inc., marzo 2006.
  2. ^ http://www.werbos.com/E/WhoKilledElecPJW.htm (which links to http://www.thunder-sky.com/home_en.asp)
  3. ^ (EN) Specifiche di batterie agli ioni di litio
  4. ^ (EN) HowStuffWorks - How Lithium-ion Batteries Work
  5. ^ (EN) Gold Peak Industries ltd., Lithium Ion technical handbook
  6. ^ (EN) Articolo dal sito E-one.com
  7. ^ L.M. Cristo, T. B. Atwater, Characteristics and Behavior of 1M LiPF6 1EC:1DMC Electrolyte at Low Temperatures, Fort Monmouth, NJ, U.S. Army Research.
  8. ^ (EN) BatteryUniversity.com
  9. ^ (EN) Articolo da The Inquirer
  10. ^ Tullo, Alex. "Dell Recalls Lithium Batteries." Chemical and Engineering News 21 Aug 2006: 11
  11. ^ (EN) Articolo dal New York Times
  12. ^ (EN) Sito di Altair NanoTechnology
  13. ^ (JA) Dal sito di Toshiba
  14. ^ (EN) Comunicato dal sito A123Systems
  15. ^ (EN) Atti del congresso Green Car 2009
  16. ^ (EN) Comunicato su Yahoo!Groups
  17. ^ (EN) Da Hybrids-plus.com
  18. ^ (EN) DeWalt power tools
  19. ^ (EN) Hybrids Plus
  20. ^ (EN) Science Magazine
  21. ^ (EN) Articolo da Technology Review.com
  22. ^ Batterie che esplodono, incubo finito con STOBA
  23. ^ Apple presenta un brevetto per una batteria che non esplode

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]