Cose da sapere sulle batterie agli ioni di litio

• Che cos'è una batteria agli ioni di litio?

• Come si costruisce una batteria agli ioni di litio?

• Come funziona una batteria agli ioni di litio?

• Come si carica correttamente una batteria agli ioni di litio?

• Quanti cicli di carica raggiunge una batteria al litio?

• Cosa significano i numeri 18650 o 14500?

• Che cos'è una batteria ai polimeri di litio?

• Riepilogo con vantaggi e svantaggi

I moderni dispositivi mobili come smartphone, tablet, notebook, fotocamere digitali o anche utensili elettrici wireless devono essere compatti, maneggevoli e leggeri. Inoltre, i dispositivi devono avere lunghi tempi di funzionamento a batteria. Questi sono requisiti che possono essere realizzati solo con la più moderna tecnologia delle batterie al litio.

 

Che cos'è una batteria agli ioni di litio?

Una batteria agli ioni di litio o anche batteria al litio, è una riserva ricaricabile di energia elettrica. In confronto, una batteria agli ioni di litio destinata al solo uso singolo e che non può essere ricaricata.

Il grande vantaggio di una batteria agli ioni di litio è la sua elevata densità energetica. In altre parole, c'è molta corrente in una piccola batteria!

Il nome della batteria deriva dagli ioni di litio che migrano avanti e indietro tra i due elettrodi durante la carica e la scarica e si depositano nei rispettivi materiali degli elettrodi.

A causa della tensione notevolmente più elevata di 3,3 - 3,8 V per cella, una batteria agli ioni di litio non è adatta per sostituire le tradizionali batterie NiCd o NiMH con una tensione di 1,2 V per cella.

Le batterie agli ioni di litio sono compatte e potenti.

 

Come si costruisce una batteria agli ioni di litio?

Come qualsiasi altra batteria ricaricabile o batteria tradizionale, la batteria agli ioni di litio è composta da un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo) e un elettrolita che funge da mezzo di trasporto per gli ioni di litio.

La struttura concreta è la seguente:

Struttura schematica di una batteria ricaricabile agli ioni di litio.

L'alimentazione di corrente agli elettrodi avviene tramite strati elettricamente conduttivi di materiale diverso.

Per il catodo, il collegamento positivo, l'alluminio (1) viene utilizzato come strato conduttore. Per l'anodo, il collegamento negativo, il rame (2) viene utilizzato come strato conduttore.

Il catodo (+ polo) è costituito da un ossido di metallo al litio (3), che può contenere diverse percentuali di nichel, cobalto o manganese. In alternativa, come materiale catodico viene utilizzato anche il fosfato di ferro al litio.

L'anodo (- polo) è costituito da carbonio (4) o, meglio, grafite, strutturato in strati. Al posto della grafite vengono utilizzati anche nanocristallini, silicio amorfo, titanato di litio o biossido di stagno.

Importante: Il tipo e la composizione degli elettrodi determinano la tensione e le proprietà elettriche della batteria. Ma in linea di principio, più uniforme e pura è la composizione chimica, più elevate sono le prestazioni e la durata della cella.

Per consentire agli ioni di litio di muoversi avanti e indietro nella cella come portatori di carica, c'è un elettrolita anidro (5) tra gli elettroni, che serve come mezzo di trasporto. Si utilizzano diversi sali come, tra l'altro, esafluoro fosfato di litio o tetrafluoro borato di litio, disciolti in solventi aprotici come etilene o propilencarbonati. Affinché le operazioni di carica e scarica possano avvenire in modo indisturbato, l'elettrolita deve essere estremamente puro.

Per evitare cortocircuiti tra gli elettrodi, gli elettrodi vengono separati da un separatore (6). Il separatore è costituito da una membrana microporosa in poliolefina, permeabile solo ai minuscoli ioni di litio.

 

Come funziona una batteria agli ioni di litio?

Il funzionamento deve essere spiegato con una batteria al litio al biossido di cobalto.

Il processo di carica

Durante la ricarica, agli elettrodi viene collegata una fonte di tensione o un caricabatterie (1).

A causa della tensione di carica, gli elettroni migrano dal catodo (+polo) della batteria (2) attraverso il cavo di carica (3) al collegamento positivo del caricabatterie.

Allo stesso modo, gli elettroni si muovono dal collegamento negativo del caricabatterie tramite il cavo di carica (4) all'anodo (-polo) della batteria (5).

In questo modo lo strato di ossido di metallo al litio (6) si ricarica in modo positivo e lo strato di grafite (7) in modo negativo.

Se si guarda ora il numero di ossitazioni dello strato di ossido di litio-metallo, si ottiene la seguente immagine:

Il litio (8) ha il numero di ossidazione +I
cobalto (9) ha il numero di ossidazione +III
ossigeno (10) ha il numero di ossidazione -II

Il biossido di litio cobalto (LiCoO2) in questo stato è intrinsecamente privo di carica.

Il caricabatterie garantisce un'escursione elettronica.

Gli ioni di litio liberi si spostano dal catodo all'anodo attraverso il separatore.

Durante il processo di carica, gli elettroni vengono sottratti al catodo, in modo che il cobalto venga ulteriormente ossidato al livello di ossidazione IV.

L'ossido si caricherebbe quindi positivamente di per sé. Per contrastare questa situazione, gli ioni di litio lasciano l'ossido, che viene poi nuovamente scaricato.

Gli ioni di litio ora liberi si spostano attraverso l'elettrolita e il separatore verso l'anodo (-polo) della batteria.

In questo caso, con la registrazione degli elettroni liberi con la struttura a strato del grafite, si attiva un collegamento di intercalazione (intercalare in latino = inserire).

Quando tutti gli ioni di litio sul lato dell'anodo sono arrivati e incorporati, la batteria è completamente carica.

Il processo di scarica

 

Durante lo scaricamento, i collegamenti di intercalazione sull'anodo (-polo) vengono allentati.

Il litio rilascia nuovamente gli elettroni registrati e diventa un litio-ione con carica positiva.

Poiché il litio, come metallo non pregiato, emette i suoi elettroni in modo estremamente leggero, questo processo si spegne quasi automaticamente. A tale scopo, è sufficiente collegare gli elettrodi della batteria a un circuito esterno con utenze incluse.

Gli elettroni emessi dal litio vengono inviati dall'anodo (- polo) al catodo (+ polo) tramite il circuito esterno. Qui riducono il cobalto dal livello di ossalazione IV al livello III.

In questo modo l'ossido è caricato negativamente e può ora assorbire ioni di litio con carica positiva.

E questo è esattamente ciò che accade. Dopo l'emissione dell'elettrone, gli ioni di litio si spostano dall'anodo attraverso l'elettrolita e il separatore verso il catodo. Qui si collegano nuovamente a LiCoO2.

Gli ioni di litio liberi si spostano dall'anodo al catodo.

 

Come si carica correttamente una batteria agli ioni di litio?

Batterie ricaricabili per dispositivi

Per quanto sia piacevole l'alta densità di energia delle batterie agli ioni di litio, questi accumulatori di energia hanno uno svantaggio decisivo: sono estremamente sensibili al sovraccarico e alla scarica profonda.

In entrambi i casi, gli accumulatori al litio vengono danneggiati in modo irreparabile.

Per le batterie ricaricabili fisse in smartphone, tablet, notebook o anche per gli utensili a batteria, questo non è un problema. Infatti, nei rispettivi dispositivi viene utilizzata un'elettronica adatta che carica la batteria in modo corretto e protegge in modo affidabile dallo scaricamento completo.

Affinché ciò sia garantito, è necessario utilizzare sempre i caricabatterie adatti e originali.

Celle singole

Per le celle singole per l'uso individuale, questi dispositivi di protezione esterni non sono disponibili. Per questo motivo, alcuni produttori dotano le loro batterie ricaricabili di circuiti di protezione intelligenti che proteggono efficacemente la batteria in caso di trattamento errato.

I circuiti di protezione sono quindi integrati direttamente nella cella della batteria. Tuttavia, anche con un circuito di protezione integrato, l'utente deve rispettare le indicazioni del produttore per la progettazione della tensione di carica e della corrente di carica.

È importante lavorare con la corretta tensione di carica. A seconda delle sostanze utilizzate per gli elettrodi, le batterie al litio hanno diverse tensioni nominali:

Con una batteria al litio-cobalto-biossido, la tensione nominale è di 3,6 V.
con una batteria al litio-biossido di manganese, la tensione nominale è di 3,7 - 3,8 V.
con una batteria al litio-ferro-fosfato, la tensione nominale è di 3,3 V.

Di conseguenza, anche le tensioni di collegamento di carica sono diverse. In caso di dubbio, dare un'occhiata alle schede tecniche della batteria ricaricabile.

Il circuito di protezione viene installato direttamente nella cella della batteria.

Pacchi batterie ricaricabili

Ricarica di una batteria per modellismo con connettore per bilanciamento.

Per le batterie ricaricabili al litio, utilizzate ad esempio come batterie di azionamento nell'ambito del modellismo, non sono disponibili dispositivi di protezione.

In questo caso, l'utente deve assicurarsi che la batteria sia caricata correttamente. Inoltre, se le celle di un pacco batterie sono collegate in serie, è necessario assicurarsi che tutte le batterie abbiano la stessa tensione.

Per questo motivo, i caricatori per modellismo sono dotati di cosiddetti bilanciatori.  Durante il processo di carica, il bilanciatore scarica sempre le celle con la tensione più alta tramite una resistenza di carico per un breve periodo, in modo che tutte le celle del pacco batterie abbiano la stessa tensione fino a 1/100 Volt.

L'immagine accanto mostra il collegamento di due pacchi batterie a più celle. La corrente di carica scorre attraverso i due cavi esterni (1) con i connettori a banana. I cavi a più fili (2) vengono utilizzati per il collegamento al bilanciatore nel caricabatterie. Per caricare batterie ricaricabili con diversi numeri di celle, per il collegamento Balancer vengono utilizzate piastre adattatrici (3).

Metodi di ricarica

Una batteria agli ioni di litio viene caricata con regolazione di corrente e tensione

. Ciò significa che all'inizio della carica (t1) la corrente di carica è limitata al valore massimo consentito. Il produttore della batteria indica il limite della corrente di carica. Le celle a ricarica rapida possono essere caricate con 1 C, 2 C o anche più in alto. 
Il valore "C" si riferisce sempre al valore di capacità della batteria. Se è consentita una corrente di carica massima di 2 C per una batteria con una capacità di 2500 mAh, la batteria può essere caricata con un massimo di 5 A. Anche se all'inizio del processo di carica potrebbe assorbire una corrente notevolmente più elevata.

Quando viene raggiunta la tensione di carica massima (t2), la regolazione della tensione si attiva e impedisce un ulteriore aumento della tensione di carica. Di conseguenza, con la tensione costante, la corrente di carica è sempre più bassa.

Se la corrente ha raggiunto un valore minimo (t3), la batteria è completamente carica.

Rappresentazione della tensione di carica (blu) e della corrente di carica (rosso).

 

Quanti cicli di carica raggiunge una batteria al litio?

Il numero di cicli di carica/scarica utilizzabili può essere di diverse centinaia di cicli. Il numero di cicli della batteria in realtà dipende da molti fattori:

Tipo e qualità della batteria ricaricabile

Più le sostanze utilizzate sono pure e di alta qualità, più la batteria è potente e durevole.

Temperatura e stato di carica durante la conservazione

Ideale è uno stato di carica del 40 - 60% con stoccaggio a freddo. Conservare una batteria costantemente carica in ambienti caldi riduce notevolmente la durata.

Carica e scarica profonda

Una batteria ricaricabile, che viene scaricata e ricaricata solo al 50%, crea un numero di cicli notevolmente superiore rispetto a una scarica del 100%. Allo stesso modo, è vantaggioso non caricare completamente la batteria al massimo o ricaricarla con una capacità minima.

Correnti elevate

Nel settore della costruzione di modelli sono richieste correnti di carica elevate e di scarica ancora più elevate. Anche le sollecitazioni meccaniche e termiche della cella hanno un effetto molto negativo sul numero di cicli.

 

Cosa significano i numeri 18650 o 14500?

La cifra indica la forma e le dimensioni della batteria.

Con questi numeri vengono indicati gli standard di costruzione di una batteria al litio. Nel caso del 18650 ciò significa che la batteria LiIon ha un diametro di 18 mm e una lunghezza di 65 mm. Lo zero all'estremità descrive la forma rotonda dell'accumulatore agli ioni di litio.

Tuttavia, la serie 18650 presenta delle differenze.

In alcune batterie agli ioni di litio il polo positivo è a filo con il contenitore e in altre è sollevato o sporgente. In alternativa, ci sono anche 18650 celle con estremità aperte del cavo che possono essere saldate su schede o dotate di connettori adatti.

Cos'è una batteria ai polimeri di litio?

In una batteria ai polimeri di litio o LiPo, l'elettrolita altrimenti liquido è presente in un film a base di polimeri da solido a gel.

Ciò consente la costruzione di celle piatte, come con una Lipo ma anche altri tipi di costruzione.

Le batterie ricaricabili Lipo non sono dotate di alloggiamento fisso o rivestimento metallico e hanno quindi un peso molto ridotto. Questo è anche il motivo per cui le batterie Lipo sono molto popolari tra i modellisti di aerei.

Tuttavia, le LiPo sono anche estremamente sensibili ai danni meccanici. Allo stesso modo, queste batterie non possono resistere a temperature inferiori a 0 |C e superiori a 60 |C.

 

Batteria ricaricabile Lipo in forma piatta per l'uso nella costruzione di modelli.

 

Riepilogo con vantaggi e svantaggi

La tecnologia agli ioni di litio offre molti vantaggi, ma anche svantaggi non meno significativi, come dimostra la seguente panoramica:

Vantaggi:

• Densità di energia molto grande, ben al di sopra di quella delle batterie NiMH.
• Tensione notevolmente più elevata (3,3 - 3,8 V) rispetto alle batterie ricaricabili NiMH (1,2 V).
• Struttura più piccola e peso ridotto rispetto alle batterie ricaricabili NIMH con la stessa capacità.
• Elevata capacità di corrente e tempi di carica brevi sono ideali per l'uso nel settore del modellismo o in elettroutensili a batteria.
• La bassa autoscarica consente un utilizzo anche dopo molto tempo dalla ricarica.
• Le nuove batterie ricaricabili sono subito pronte all'uso e non devono essere prima caricate.
• Non è disponibile un effetto memoria (riduzione della capacità utilizzabile con un minimo carico e scarico).

Svantaggi:

• Elevata sensibilità al sovraccarico. Per il processo di carica devono essere utilizzati caricabatterie adatti che rispettano esattamente la tensione di carica.
• Elevata sensibilità allo scaricamento completo. Nell'applicazione deve essere presente un monitoraggio della tensione per proteggere la batteria da una scarica troppo profonda.
• Elevata sensibilità alle temperature troppo alte e troppo basse. La temperatura di esercizio ideale è di circa 20 - 40 °C. A temperature più alte e più basse, la potenza diminuisce.
• Il litio è un metallo molto reattivo e facilmente infiammabile, difficile da eliminare in caso di emergenza. Durante la reazione con acqua o danni meccanici si sviluppa molto calore e oltre al litio caustico si crea idrogeno facilmente infiammabile.

Con il trattamento corretto, le batterie al litio sono una fonte di tensione sicura e potente, i cui vantaggi superano di gran lunga gli svantaggi. Questo è anche il motivo per cui le batterie al litio sono molto popolari tra i produttori di apparecchi. Tuttavia, quando si utilizzano quotidianamente questi accumulatori, è necessario essere consapevoli anche di eventuali rischi.