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 e una lenta perdita della carica quando non è in uso. Queste 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).
Indice
1 Storia
2 Vantaggi e svantaggi
2.1 Vantaggi
2.2 Svantaggi
2.2.1 Pericolosità della batteria Li-ion
3 Specifiche e design
3.1 Interfaccia a elettrolita solido
4 Guida al prolungamento della vita di una batteria al Li-Ion
4.1 Temperatura e carica di immagazzinaggio
5 Problemi di sicurezza
6 Nuove tecnologie
7 Sviluppi più recenti
8 Note
9 Voci correlate
10 Altri progetti
11 Collegamenti esterni
Storia |
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 |
Vantaggi |
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.
Queste batterie sono anche più leggere delle equivalenti fabbricate con altri componenti chimici e 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, mobili e 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'accumulatore nichel-metallo idruro e con meno gas volatili. Gli ioni necessitano di meno intermediari per l'immagazzinamento, cosicché è possibile destinare una quota maggiore di peso della batteria alla carica invece che per l'overhead.
Le batterie Li-ion non soffrono dell'effetto memoria. Hanno anche un basso tasso di auto-scarica, circa il 5% mensile, rispetto all'oltre 30% mensile delle batterie all'idruro metallico di nichel e al 20% mensile di quelle 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 più avanti. 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 di queste batterie.
Svantaggi |
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].
A un livello di efficienza del 100% una tipica batteria Li-ion per calcolatore portatile caricata al 25% e conservata a 25 °C perde 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.mw-parser-output .chiarimento{background:#ffeaea;color:#444444}.mw-parser-output .chiarimento-apice{color:red}[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 a essere usati come fonte secondaria di energia: per questa applicazione sono più indicati gli accumulatori al piombo o le batterie al Ni-MH.
La corrente massima che può essere prelevata in continuo dalla batteria dipende sia dalla capacità che dal tipo: ne esistono tipi appositi per utensili a batteria e per modellismo, casi in cui sono richieste correnti elevate. Nei dispositivi che richiedono alte potenze le batterie al Li-Ion cessano di essere efficaci 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.
Un elemento al Li-ion singolo non va mai scaricato sotto una certa tensione per evitare danni irreversibili. Di conseguenza, tutti i sistemi che utilizzano elementi al Li-ion sono equipaggiati con un circuito che spegne il dispositivo 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 a un sistema particolare.
Alcune batterie agli ioni di litio presentano un circuito di monitoraggio della tensione montato all'interno (la cosiddetta "batteria intelligente"); tali batterie non devono essere immagazzinate per lunghi periodi completamente scariche poiché il circuito assorbe una piccola corrente dalla batteria anche quando la stessa non è in uso e può portare a danneggiamenti permanenti della stessa.
Un problema delle batterie a base di litio è l'attuale scarso approvvigionamento della materia prima dovuto alla dislocazione delle miniere in nazioni che non ne agevolano l'estrazione; sicuramente la situazione migliorerà in quanto la diffusione dell'auto elettrica prima e delle centrali atomiche a fusione poi, richiederanno quantitativi sempre più rilevanti del minerale, che in natura certo non scarseggia.
Pericolosità della batteria Li-ion |
Esempio di batteria agli ioni di litio espansa e contenuta dal suo involucro contenitivo.
La chimica delle batterie Li-ion non è totalmente sicura: una batteria Li-ion può esplodere se surriscaldata o caricata eccessivamente in quanto si sviluppa idrogeno all'interno dell'involucro di plastica (vedere foto a lato). 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 mantenere la pressione interna sotto una soglia prefissata. Nonostante queste caratteristiche di sicurezza, le batterie Li-ion sono soggette ogni tanto a richiami in fabbrica; inoltre i sistemi di controllo occupano spazio utile all'interno delle pile e aggiungono ulteriori possibilità di guasto. Di solito in caso di problemi a questi sistemi la pila diviene inutilizzabile permanentemente e irreversibilmente.
Specifiche e design |
- 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)
La reazione chimica tipica della batteria Li-ion è come segue:
- Li12CoO2+Li12C6↔LiCoO2+C6{displaystyle mathrm {Li} _{frac {1}{2}}mathrm {Co} mathrm {O} _{2}+mathrm {Li} _{frac {1}{2}}mathrm {C} _{6}leftrightarrow mathrm {Li} mathrm {Co} mathrm {O} _{2}+mathrm {C} _{6}}
Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione nominale di 3,6~3,7V, che è il valore medio fra la tensione a piena carica (4,2V) e quella oltre la quale non deve scendere (3,0~3,2V). La carica si effettua a tensione costante con limitazione di corrente. Questo significa che la carica avviene a corrente costante finché l'elemento raggiunge quasi la tensione di 4,2V (per sicurezza di solito inferiore di alcune decine di millivolt a tale valore), dopodiché continua a tensione costante finché la corrente diventa nulla o quasi (tipicamente la carica viene terminata al 3% della corrente iniziale di carica). Il tempo di ricarica dipende dalla capacità in amper ora della batteria e dalla quantità di amper erogati dal caricabatteria, che in ogni caso non può superare 1/10 della corrente di picco erogabile dalla batteria.
Gli elementi agli ioni di litio utilizzano i seguenti materiali: l'anodo è fatto con carbonio, il catodo è un ossido metallico e l'elettrolita è un sale di litio in solvente organico. Poiché in condizioni anormali di ricarica potrebbe essere prodotto litio metallico, che è molto reattivo e può sviluppare idrogeno se a contatto con umidità e quindi causare esplosioni, gli elementi agli ioni di litio solitamente hanno incorporati circuiti elettronici protettivi per evitare l'inversione di polarità, sovratensioni e surriscaldamento.
Interfaccia a elettrolita solido |
Un elemento particolarmente importante per far funzionare le batterie agli ioni di litio è l'"interfaccia a elettrolita 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 elettrolita liquido conduce ioni di litio e quindi consente il trasporto delle cariche tra il catodo e l'anodo quando la batteria fa passare una corrente elettrica attraverso un circuito esterno. Tuttavia, elettroliti liquidi e solventi organici si decompongono facilmente sugli anodi durante la carica, impedendo il funzionamento ulteriore della batteria. Invece se si utilizzano solventi organici appropriati, gli elettroliti si decompongono e formano un'interfaccia elettrolitica solida alla prima carica, isolante elettricamente, ma altamente conduttiva per gli ioni di litio. L'interfaccia previene la decomposizione degli elettroliti durante le ricariche successive. Per esempio, il carbonato di etilene si decompone relativamente ad 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 |
- 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 più presto 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 tra 0 e 25 °C. 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 congelatori 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 |
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 a un livello di carica e una temperatura dati.
| 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. È buona regola, una volta tolte dal frigorifero, lasciarle riscaldare a temperatura ambiente per 24 ore prima di una carica o scarica.
Problemi di sicurezza |
Le batterie agli ioni di litio possono facilmente rompersi, prendere fuoco o esplodere quando sono esposte alle alte temperature o alla luce diretta del sole. Non dovrebbero essere tenute in automobile 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: 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 Asus, 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]. 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. Nel dicembre 2009 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].
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".
"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..."[11].
Nuove tecnologie |
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 sia durante la ricarica. Questo è simile agli sviluppi ottenuti con il supercondensatore. Di conseguenza la batteria è capace di sviluppare 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 ha visto 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 a una temperatura ottimale (15-35 °C) e di aumentare la durata e il rendimento di esercizio. La Daimler, casa costruttrice dell'auto in questione, è inoltre in fase avanzata di realizzazione di uno speciale tipo 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 |
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 da Apple, che ha presentato uno schema di una batteria munita di un involucro di rivestimento dotato di sacche e punti deboli per l'evacuazione dei vapori prodotti durante il cortocircuito[23].
Note |
^ Isidor Buchmann, [batteryuniversity.com/partone-12.htm BatteryUniversity.com: Charging lithium-ion batteries] Controllare il valore del parametrourl(aiuto), Cadex Electronics Inc., marzo 2006.
^ http://www.werbos.com/E/WhoKilledElecPJW.htm (which links to Copia archiviata, su thunder-sky.com. URL consultato il 5 novembre 2007 (archiviato dall'url originale il 29 settembre 2007).)
^ (EN) Specifiche di batterie agli ioni di litio Archiviato il 29 ottobre 2006 in Internet Archive.
^ (EN) HowStuffWorks - How Lithium-ion Batteries Work
^ (EN) Gold Peak Industries ltd., Lithium Ion technical handbook
^ (EN) Articolo dal sito E-one.com Archiviato l'11 marzo 2007 in Internet Archive.
^ 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.
^ (EN) batteryuniversity.com/parttwo-34.htm BatteryUniversity.com
^ (EN) Articolo da The Inquirer
^ Tullo, Alex. "Dell Recalls Lithium Batteries." Chemical and Engineering News 21 Aug 2006: 11
^ (EN) Articolo dal New York Times
^ (EN) Sito di Altair NanoTechnology Archiviato il 24 ottobre 2006 in Internet Archive.
^ (JA) Dal sito di Toshiba
^ (EN) Comunicato dal sito A123Systems Archiviato il 4 ottobre 2006 in Internet Archive.
^ (EN) Atti del congresso Green Car 2009
^ (EN)
Comunicato su Yahoo!Groups[collegamento interrotto]
^ (EN)
Da Hybrids-plus.com[collegamento interrotto]
^ (EN) DeWalt power tools
^ (EN) Hybrids Plus
^ (EN) Science Magazine
^ (EN) Articolo da Technology Review.com
^ Batterie che esplodono, incubo finito con STOBA
^ Apple presenta un brevetto per una batteria che non esplode
Voci correlate |
- Accumulatore litio-polimero
- Accumulatore litio-ferro-fosfato
- Accumulatore litio-cloruro di tionile
- Auto elettrica
- Lista dei tipi di batterie
- Storia dell'auto elettrica
Tesla Roadster (sportiva elettrica californiana della Tesla Motors, capace di fare 0–100 km/h in 4 secondi)
Toyota Eliica (automobile elettrica della Toyota, con batterie Li-ion)
Altri progetti |
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Collegamenti esterni |
- Tutto quello che c’è da sapere sulle batterie al litio
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