Batterie al litio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le batterie al litio sono batterie ricaricabili che per generare energia utilizzano il litio.

Il litio è un metallo ed è il terzo elemento nella tavola periodica. Si tratta, quindi, del metallo più leggero ed è anche per questo che la sua adozione nel campo degli accumulatori è risultata così vincente.
Le batterie sfruttano  il litio sotto forma di ione caricato positivamente grazie alla perdita di un elettrone.  

 

Le batterie sono composte da più celle collegate tra di loro in serie o in paralleto 

Ogni cella è composta da:

• un elettrodo positivo (catodo) che ospita un composto di litio
• un elettrodo negativo (anodo) realizzato con un composto tipicamente carbonioso, come la grafite
• un separatore composto da materiale solido polimerico interposto tra anodo  e catodo che previene il corto circuito interno e consente il passaggio degli ioni di litio grazie alla sua struttura porosa
• un elettrolita che consente il trasferimento degli ioni di litio tra anodo e catodo e viceversa ed è costituito da un sale di litio disciolto in un solvente organico o in una loro miscela.

 

Il litio si muove tra i due elettrodi nelle fasi di carica e di scarica. Durante la fase di carica gli ioni di litio contenuti nel catodo si spostano attraverso l'elettrolita verso l'anodo, dove vengono immagazzinati.

Durante il processo di scarica, gli ioni di litio e gli elettroni vengono rilasciati sul lato dell’anodo. Gli elettroni fluiscono attraverso il circuito esterno ed eseguono il lavoro elettrico. Allo stesso tempo, gli ioni di litio attraversano il fluido elettrolitico e il separatore fino al catodo.  

Nel corso di ogni ciclo di carica e scarica gli ioni in pratica si spostano avanti e indietro tra il catodo e l'anodo, consentendo così il funzionamento continuo della cella. 

Caratteristiche delle batterie agli ioni di litio

Le caratteristiche principali delle batterie agli ioni di litio sono:

• la tensione mominale (volt V): la maggior parte delle celle agli ioni di litio hanno una tensione nominale di 3.6~3.7 V, che è il valore medio fra la tensione a piena carica (4.2 V) e quella oltre la quale non deve scendere (3.0~3.2 V), altre hanno una tensione nominale più bassa di 3.2V o 2.4V

la tensione nominale di una batteria è la somma delle tensioni delle celle collegate in serie. Una batteria composta da due celle in serie ha una tensione nominale di 3.7V + 3.7V = 7.4V

• la capacità (amperora Ah o milliamperora mAh): definise la quantità di carica presente all’interno della batteria, cioè la quantità di corrente che è possibile erogare nel tempo. E' ottenuta moltiplicando la corrente in ampere per il tempo di scarica in ore (esempio: una batteria che eroga 5 ampere per 20 ore = 100 Ah di capacità) 

Q(Ah) = I(A) x t(h)

• il C rate: Il C-rate è un parametro che indica la velocità di carica e di scarica di una batteria. E indicato con un numero seguito dalla lettera C
  

C-rate = corrente di carica-scarica / capacità nominale 

 

1C indica che la corrente di carica-scarica è uguale alla capacità nominale

2C indica che la corrente di carica-scarica è il doppio della capacità nominale

5C indica che la corrente di carica-scarica è 5 volte la capacità nominale

 

La capacità di una batteria dipende dalla velocità di scarica. Quanto più rapida sarà la scarica (C-rate più elevato), meno capacità sarà disponibile

 

• la quantità di energia (wattora Wh): descrive la quantità di energia complessiva presente all’interno della batteria come prodotto della capacità Q e della tensione nominale V

E(Wh) = V(V) x Q(Ah)

 

gli Ah  e i Wh determinano la durata della batteria, ovvero per quante ore può lavorare la batteria e qual è l’energia complessiva: tanto più grandi sono questi valori, tanto più durevole sarà la carica della batteria

• l'energia specifica  (Wh/kg): misura la capacità della batteria di accumulare energia in rapporto al suo peso

in arancione diverse tipologie di batterie al litio
in verde batterie nichel cadmio e nichel manganese
in marrone batterie al piombo 

 

• Ciclo di vita: Si riferisce al numero di cicli di carica e scarica che la batteria può sopportare prima che la sua capacità decada. Un ciclo si riferisce a una carica completa e una scarica completa. 

 

Durata delle batterie al litio

Batterie di media qualità forniscono intorno ai 1.000 cicli di carica. Quelle di qualità più alte possono arrivare a 2.000–3.000 cicli, mentre quelle più economiche possono fermarsi a qualche centinaio di cicli.

Come allungare la vita delle batterie al litio

Possibilmente stare sempre tra il 20% e l’80% della carica. Non far scaricare la batteria sotto il 15%-20%.

• Ricaricare quanto prima una batteria molto scarica.
• Evitare di ricaricare sempre la batteria al massimo (100%).
• Fare pochi cicli completi: i cicli parziali fanno vivere la batteria più a lungo.
• Quando è possibile, ricaricare già al 40%.

Quando si ha intenzione di non usare un device per un lungo periodo, la cosa più opportuna è conservalo con una carica residua di almeno il 50%.

Evitare il troppo caldo e il troppo freddo. Le batterie al litio devono essere utilizzate entro un intervallo di temperatura adeguato, specificato dal costruttore.

Evitare il sovraccarico e lo scarico elettrico eccessivo. Questi causano la riduzione della durata della batteria o addirittura il danneggiamento.

 

Tipologie di batterie al litio

Batterie agli ioni di litio (Li-ion): sono le più comuni e ampiamente utilizzate. Sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni: dispositivi portatili, veicoli elettrici, telefonia, sistemi di accumulo di energia, applicazioni industriali, militari ed aerospaziali. Sono caratterizzate da una elevata efficienza, uno scarso effetto memoria e un basso livello di auto scarica.

Batterie ai polimeri di litio (Li-Po): l’elettrolita è formato da polimeri solidi che le rende più resistenti e sicure ad eventuali perdite. L’assenza di liquidi permette di utilizzare contenitori più sottili e non metallici. Hanno una minore densità di energia rispetto alle Li-ion.

Batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4): offrono una maggiore stabilità termica, sicurezza e durata della batteria rispetto alle batterie al litio-ion tradizionali. Sono comunemente utilizzate in accumulatori per veicolo ibridi ed elettrici, per il fotovoltaico, ma anche per biciclette a pedalata assistita, motoveicoli elettrici e caricabatterie per muletti. Hanno un ottimo ciclo di vita e non subiscono alcun effetto memoria. Sono le più sicure e stabili che si trovano ad oggi sul mercato, e sono disponibili in formati di grande capacità.

 

 

 

Vantaggi e svantaggi delle batterie al litio

Vantaggi

• ingombro e un peso ridotti rispetto alle generazioni precedenti, sono leggere e a parità di volume accumulano una maggiore quantità di energia.
• migliore efficienza energetica, la perdita di energia durante il ciclo di carica e scarica è minima
• quando non vengono utilizzate attivamente la percentuale di carica persa è davvero trascurabile
• si ricaricano rapidamente e questo rivela i suoi vantaggi soprattutto con veicoli elettrici e dispositivi portatili che richiedono tempi di ricarica ridotti
• son subiscono l’effetto memoria: rispetto alle vecchie batterie possono sopportare diversi cicli di ricarica anche se non completamente scariche, senza per questo danneggiarsi o perdere di efficacia

 

Svantaggi

• costo elevato
• le variazioni di temperatura possono comprometterne l’efficienza
• lo smaltimento e riciclaggio richiedono delle attenzioni particolari
• se sottoposte a temperature elevate possono surriscaldarsi, infiammarsi e in alcuni casi esplodere

 

 

Pericolo delle batterie al litio

Le batterie al litio, se gestite o conservate in modo errato, possono rappresentare un notevole rischio per la sicurezza degli operatori e degli ambienti aziendali.

Richiedono una gestione attenta per evitare rischi come il cortocircuito o il surriscaldamento, che possono portare a incendi o esplosioni. Inoltre, la loro smaltimento e riciclaggio devono essere gestiti in modo responsabile per minimizzare l’impatto ambientale.

 

Sistema di bilanciamento delle batterie - Battery Management System (BMS)

 

Le celle che compongono le batterie al litio non sono tutte identiche, ma presentano delle piccole differenze che se non compensate con un sistema di bilanciamento della carica e scarica, con l’utilizzo della batteria, o semplicemente con il passare del tempo, fanno sbilanciare le celle all’interno della batteria stessa.

Questo sbilanciamento senza BMS può aumentare sempre di più azzerando progressivamente la capacità disponibile della batteria. Il BMS ha il compito di caricare tutte le celle della batteria nello stesso modo

 

 

BMS

Durante il ciclo di carica/scarica, alcune celle raggiungono lo stato di piena carica o scarica prima di altre. Le differenze aumenteranno se le celle non vengono periodicamente bilanciate/equalizzate dal BMS

Il BMS è considerato il vero e proprio cervello della batteria e, se progettato con un’elettronica all’avanguardia, svolge numerose altre funzioni che controllano e monitorano in tempo reale il comportamento della batteria al litio all’interno dell’applicazione.

Principali funzioni del BMS:

• Impedire che la batteria si scarichi al di sotto di un certo livello di sicurezza.
• Proteggere la batteria dai cortocircuiti.
• Controllo della temperatura. Se la temperatura di una cella diventa troppo alta, questa protezione si attiverà e scollegherà la batteria per impedire il surriscaldamento.
• Bilanciamento di ogni cella del pacco batteria controllando che sia caricata allo stesso modo delle altre.
• Protezione  da correnti di carica o scarica eccessive.
• Protezione da  sovraccarico della batteria, che può danneggiare o addirittura distruggere le celle. 
• Interfaccia utente  per la diagnostica e la configurazione dell’accumulatore.