Qualcosa da sapere sulla batteria agli ioni di litio

Introduzione

Le batterie agli ioni di litio, spesso abbreviate in LIB, sono dispositivi di accumulo di energia ricaricabili che sono diventati il gold standard per l'alimentazione di un'ampia gamma di tecnologie moderne. Dai nostri smartphone e computer portatili ai veicoli elettrici e ai sistemi di accumulo di energia rinnovabile, le batterie agli ioni di litio hanno trasformato il modo in cui utilizziamo e immagazziniamo l'energia elettrica. In questo articolo esploreremo il ruolo fondamentale che i LIB svolgono in questi settori, fornendo una migliore comprensione dei loro principi di funzionamento, delle materie prime, dei vantaggi e delle applicazioni.

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Figura 1. Batteria agli ioni di litio

Principi di funzionamento delle batterie agli ioni di litio

Le batterieagli ioni di litio utilizzano un processo elettrochimico straordinario. Funzionano secondo il principio del trasporto di ioni di litio (Li+) tra due componenti cruciali: l'anodo e il catodo. Durante la fase di carica, gli ioni di litio vengono estratti dal catodo e immagazzinati nell'anodo, creando una differenza di potenziale energetico. Nella fase di scarica, quando la batteria fornisce energia, questi ioni ritornano al catodo attraverso una soluzione elettrolitica.

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Figura 2. Struttura della batteria agli ioni di litio

Materiali della batteria agli ioni di litio

Nel processo elettrochimico, i diversi materiali LIB sono accuratamente selezionati e progettati per massimizzare le prestazioni, la densità energetica e l'efficienza complessiva della batteria. Ecco i componenti principali dei materiali delle batterie agli ioni di litio:

--Materiali dell'anodo

Gli anodi delle batterie agli ioni di litio sono in genere costituiti da materiali in grado di intercalare (assorbire e rilasciare) gli ioni di litio durante i cicli di carica e scarica. I materiali anodici più comuni sono la grafite e il silicio.

l Lagrafite è il materiale anodico più comunemente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio commerciali per la sua stabilità e le sue prestazioni elettrochimiche.

l Ilsilicioha una capacità teorica di accumulo del litio superiore a quella della grafite. Tuttavia, l'espansione e la contrazione del silicio durante i cicli di litizzazione e delitizzazione rappresentano una sfida ingegneristica.

--Materiali dei catodi:

I catodi sono un altro componente critico e determinano la tensione e la capacità della batteria. I diversi materiali catodici hanno diversi plateau di tensione e densità di energia.

l L'ossido di litio e cobalto (LiCoO2) è stato ampiamente utilizzato nelle LIB di prima generazione, soprattutto nell'elettronica di consumo. Offre una buona densità energetica, ma è meno comune nelle applicazioni ad alta capacità e ad alta potenza a causa di problemi di sicurezza e di costo.

l Illitio ferro fosfato (LiFePO4) è noto per la sua sicurezza e la lunga durata del ciclo. Viene spesso utilizzato nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo di energia rinnovabile, dove la sicurezza e la longevità sono fondamentali.

l Icatodial litio di ossido di nichel cobalto e manganese (NCM) e i catodi al litio di ossido di nichel cobalto e alluminio (NCA) sono comunemente utilizzati nelle batterie dei veicoli elettrici. Offrono un equilibrio tra densità di energia e densità di potenza.

l L'ossido di litio e manganese (LMO) è apprezzato per la sua stabilità termica e la sua sicurezza, che lo rendono adatto ad applicazioni in cui la gestione della temperatura è un problema.

--Elettrolita:

L'elettrolita è il mezzo conduttivo che permette agli ioni di litio di muoversi tra l'anodo e il catodo durante la carica e la scarica. Gli elettroliti comuni includono sali di litio disciolti in solventi organici, ma si stanno sviluppando elettroliti allo stato solido per migliorare la sicurezza e la densità di energia.

--Separatore:

I separatori sono membrane porose che separano fisicamente l'anodo e il catodo consentendo il passaggio degli ioni di litio. Sono tipicamente realizzati in polietilene (PE) o polipropilene (PP) e svolgono un ruolo fondamentale nella prevenzione dei cortocircuiti e nel miglioramento della sicurezza.

Vantaggi delle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio offrono una moltitudine di vantaggi che le hanno rese la scelta preferita per un'ampia gamma di applicazioni. Ecco alcuni dei principali vantaggi delle batterie agli ioni di litio.

lEfficienza: Le batterie agli ioni di litio hanno un'elevata densità energetica, sono ricaricabili e hanno un basso tasso di autoscarica.

lDurata: Le LIB possono funzionare efficacemente in un'ampia gamma di temperature, dal freddo sotto zero al calore elevato. Hanno una lunga durata, il che significa che possono essere sottoposte a numerosi cicli di carica e scarica prima di subire un significativo degrado della capacità.

lSostenibilità: Le LIB producono minori emissioni e hanno un'impronta ambientale più ridotta rispetto ad alcune soluzioni alternative di stoccaggio dell'energia.

lSicurezza: Le moderne batterie agli ioni di litio incorporano funzioni di sicurezza come la protezione termica, la protezione da sovraccarico e sistemi di gestione della batteria (BMS) integrati per monitorare e gestire le prestazioni e la sicurezza della batteria.

Applicazioni delle batterie agli ioni di litio

Questi vantaggi hanno posizionato le batterie agli ioni di litio come forza dominante nel mercato dell'accumulo di energia, spingendo le innovazioni in un ampio spettro di applicazioni:

lElettronica di consumo: Le batterie agli ioni di litio alimentano i nostri smartphone, tablet, computer portatili, macchine fotografiche e innumerevoli altri dispositivi portatili, fornendo la fonte di energia duratura e ad alte prestazioni necessaria per le nostre vite sempre più connesse.

lVeicoli elettrici (EV): I LIB sono parte integrante della rivoluzione della mobilità elettrica, in quanto fungono da sistema di accumulo dell'energia primaria nelle auto elettriche. La loro capacità di immagazzinare grandi quantità di energia e di distribuirla in modo efficiente ha favorito la crescita del mercato dei veicoli elettrici.

lAccumulo di energia rinnovabile: Queste batterie sono fondamentali per immagazzinare l'elettricità generata da fonti rinnovabili come i pannelli solari e le turbine eoliche. L'energia immagazzinata può essere utilizzata nei periodi di scarsa produzione di energia rinnovabile o durante i picchi di domanda.

lAerospaziale: Le LIB sono utilizzate in applicazioni aerospaziali, tra cui l'alimentazione di satelliti, veicoli spaziali e veicoli aerei senza equipaggio (UAV), dove la loro alta densità energetica e affidabilità sono essenziali.

lDispositivi medici: Vengono impiegati nelle apparecchiature mediche, assicurando che dispositivi critici come i defibrillatori cardiaci impiantabili (ICD) e i monitor medici portatili rimangano operativi quando sono più necessari.

Conclusione

In sintesi, le batterie agli ioni di litio hanno inaugurato un'era trasformativa di soluzioni energetiche più pulite, efficienti e sostenibili. Questi straordinari dispositivi di accumulo dell'energia hanno rivoluzionato il modo in cui alimentiamo i nostri dispositivi, i veicoli e i sistemi di energia rinnovabile, lasciando un segno indelebile in diversi settori grazie all'elevata densità energetica, alla durata e alla versatilità.

Presso la Stanford Advanced Materials (SAM) sono in vendita diversi materiali per batterie agli ioni di litio, tra cui l'ossido di nichel cobalto manganese (NCM), l'ossido di alluminio nichel cobalto (NCA), l'ossido di cobalto (LCO), il fosfato di ferro e litio (LFP), ecc. Se siete interessati, inviateci una richiesta.

Riferimenti:

[1] Chandler, D. L. (2023, 23 marzo). Unostudiorivela il crollo dei costi delle batterie agli ioni di litio. MIT News. Recuperato il 12 settembre 2023, da https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323.

[2] Ghiji, M.; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression. Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117