Le batterie agli ioni di litio o agli ioni di litio sono un tipo di batteria ricaricabile utilizzata in molte applicazioni, ma più comunemente nell’industria elettronica. Le batterie agli ioni di litio forniscono elettricità portatile, alimentando gadget elettronici come telefoni cellulari, laptop e tablet. Le batterie agli ioni di litio vengono anche utilizzate per fornire energia a apparecchiature mediche, veicoli elettrici e utensili elettrici.

Il litio è la fonte primaria per le batterie agli ioni di litio in quanto è più stabile e più sicuro in carica e scarica di energia rispetto ad altri minerali.

A parte l’industria elettronica, il litio è un minerale di base nell’estrazione mineraria, nella produzione, nello stoccaggio di energia e in molti altri. A causa dei suoi numerosi usi industriali, l’importanza delle batterie agli ioni di litio non può essere sopravvalutata: è, del tutto possibile, uno degli sviluppi più cruciali del mondo moderno, senza il quale il 21 ° secolo non sarebbe stato possibile.

Ioni di litio: Una breve storia

La batteria agli ioni di litio ha i suoi inizi nel 1970, quando il chimico britannico M. Stanley Whittingham propose di creare un dispositivo di accumulo di energia utilizzando celle al litio. Le prime batterie al litio utilizzavano metalli solfuro di litio e titanio (IV) che, mentre erano operativi, non erano pratici a causa dei costosi costi di produzione di titanio(IV) suflide (i metalli solfuro di titanio costano circa $1.000 negli anni ‘70), per non parlare dei suoi sottoprodotti tossici quando esposti a composti di idrogeno solforato.

Durante la maggior parte degli anni ’70 e’ 80, vari scienziati e ingegneri hanno aperto la strada e perfezionato la batteria al litio. Nel 1979, gli scienziati John Goodenough, Ned A. Godshall et.al., e Koichi Mizushima, in tentativi separati, ha creato e perfezionato il biossido di cobalto di litio, o LiCoO2. Questa batteria ha aperto la strada a nuove batterie ricaricabili che sono diventate la base per lo sviluppo della batteria agli ioni di litio nel 1985, quando Akira Yoshino ha assemblato un prototipo di batteria che utilizzava sia gli ioni di litio che il biossido di cobalto di litio come elettrodi della batteria.

Nel 1991, le aziende giapponesi Asahi Kasei e Sony iniziarono a produrre in serie la batteria agli ioni di litio e ad applicarla a molti dei loro prodotti elettronici, con più scienziati e ingegneri che perfezionarono la tecnologia negli anni ‘ 90 e fino ad oggi. Nel 2019, gli scienziati Stanley Whittingham, Akira Yoshino e John Goodenough sono stati co-premiati con il premio Nobel per la chimica, in particolare per il loro lavoro nello sviluppo di batterie agli ioni di litio.

Batteria agli Ioni di Litio Composizione

le batterie Li-Ion sono disponibili in diversi tipi, ma sono generalmente costituito dai seguenti componenti:

• Catodo o l’elettrodo positivo: Sorgente di ioni di litio che determina le batterie di capacità e tensione
• Anodo o l’elettrodo negativo: la Sezione che immagazzina e rilascia ioni attraverso un’unità esterna
• Elettrolita: Medio che trasporta ioni tra il catodo e l’anodo
• Separatore: Barriera che impedisce al catodo e all’anodo di entrare in contatto tra loro

Questi componenti principali devono essere presenti in una batteria agli ioni di litio per funzionare correttamente.

Alimentatori portatili

Come accennato in precedenza, le batterie ricaricabili agli ioni di litio forniscono elettricità portatile che alimenta i gadget elettronici. Le batterie agli ioni di litio sono leggere e possono essere ridotte rispetto ad altri tipi di batterie che le rendono comode da portare in giro.

Alimentazione ininterrotta (UPS)

Le batterie agli ioni di litio forniscono alimentazione di emergenza in caso di perdita di potenza o fluttuazione. Le apparecchiature per ufficio come i computer, così come i server IT, devono continuare a funzionare in caso di interruzione dell’alimentazione per prevenire la perdita di dati. L’alimentazione di riserva è necessaria anche nel settore medico o sanitario per garantire un’alimentazione coerente alle apparecchiature mediche salvavita.

Veicoli elettrici

L’industria automobilistica pone una domanda di batterie agli ioni di litio per fornire alimentazione per veicoli elettrici ibridi, ibridi o plug-in. Poiché la batteria agli ioni di litio può immagazzinare grandi quantità di energia e può essere ricaricata molte volte, offre una migliore capacità di ricarica e una maggiore durata.

Veicoli marini

Le batterie agli ioni di litio continuano ad emergere come alternativa alle batterie a benzina e al piombo-acido per alimentare barche da lavoro o rimorchiatori e imbarcazioni da diporto come motoscafi e yacht. Le batterie agli ioni di litio forniscono una fonte di alimentazione silenziosa ed efficiente e possono anche essere utilizzate per fornire elettricità agli apparecchi all’interno della barca o dello yacht mentre è sul molo.

Mobilità personale

Le batterie agli ioni di litio sono utilizzate su sedie a rotelle, biciclette, scooter e altri ausili per la mobilità per persone con disabilità o limitazioni di mobilità. A differenza delle batterie al cadmio e al piombo, le batterie agli ioni di litio non contengono sostanze chimiche che possono causare ulteriori danni alla salute di una persona.

Accumulo di energia solare

Le batterie agli ioni di litio vengono utilizzate anche per immagazzinare l’energia solare nei pannelli solari in quanto possono essere caricate rapidamente. Sono più leggeri, più compatti e possono contenere maggiori quantità di energia rispetto alle batterie al piombo.

Le applicazioni di cui sopra sono solo alcuni dei molti usi di batterie agli ioni di litio. Poiché le batterie agli ioni di litio sono compatte, portatili e dotate di ricarica rapida e grande capacità di archiviazione, la domanda di batterie agli ioni di litio rimane o potrebbe persino aumentare in futuro.

Sicurezza e rischi ambientali della batteria agli ioni di litio

Nonostante il suo uso diffuso e lo stoccaggio ad alta efficienza energetica, la batteria agli ioni di litio non è perfetta; può essere un pericolo per la sicurezza se prodotta, utilizzata e conservata in modo improprio. Poiché la batteria contiene elettroliti infiammabili, le batterie agli ioni di litio hanno la tendenza a diventare pressurizzate fino al punto di esplodere in caso di danni strutturali. Quando caricate troppo rapidamente, le batterie agli ioni di litio possono anche correre il rischio di cortocircuiti e causare un’esplosione.

A causa di questo, e a causa del suo uso diffuso nella maggior parte dei prodotti commerciali, gli standard di sicurezza e test di sicurezza delle batterie agli ioni di litio è molto più rigorosi rispetto ad altri tipi di batterie. Gli elettroliti infiammabili presenti nelle batterie agli ioni di litio significano che una produzione impropria può portare a risultati spesso disastrosi.

Le batterie agli ioni di litio sono anche suscettibili di danni quando caricate oltre i loro limiti di tensione. Normalmente, una batteria agli ioni di litio ha un intervallo di tensione compreso tra 2,5 e 3,65 volt (o, fino a 4,35 V a seconda della composizione della cella). Il superamento di questa tensione a causa di una carica impropria può portare a un invecchiamento precoce delle celle della batteria, il che, nel migliore dei casi, significa che la batteria immagazzina energia in modo meno efficiente, o nel peggiore dei casi fa esplodere i componenti reattivi nelle celle.

Se conservato per troppo tempo, le batterie agli ioni di litio possono anche degradarsi prematuramente, il che significa che non sarà in grado di raggiungere il suo normale intervallo di tensione quando finalmente utilizzato. Ciò comporta un rischio perché corre le probabilità di essere sovraccaricato nonostante l’utente segua le istruzioni del pacchetto per la ricarica.

Sebbene le batterie agli ioni di litio utilizzino metalli “meno tossici” come ferro, nichel, rame e cobalto (e siano classificate come tali), la loro produzione e il loro metodo di smaltimento possono ancora rappresentare un rischio sostanziale per l’ambiente.

Mentre i componenti metallici delle batterie agli ioni di litio sono riciclabili e sono persino sicuri sia per l’incenerimento che per le discariche, riutilizzarli e riprodurli in altri prodotti è un processo lungo e costoso, che, a sua volta, porta i produttori a rinunciare al riciclaggio e a estrarre solo nuovi componenti.

Fino a quando non saranno introdotti grandi miglioramenti nella produzione di batterie agli ioni di litio, rappresenteranno sempre una minaccia per l’ambiente: occorrono 67 megajoule di energia per creare un singolo chilogrammo di Li-Ion.

Il Futuro di una Batteria Li-Ion

anche se ormai più di 50 anni, la batteria agli Ioni di Litio è ancora in costante miglioramento: gli scienziati sono costantemente spingendo i limiti e i confini dell’attuale tecnologia agli Ioni di Litio attraverso la sperimentazione di nuovi modi di combinare elettroliti, anodi, e catodi per creare una batteria che è più efficienza energetica, più efficiente e molto più sicuro rispetto alla sua forma attuale.

Dall’utilizzo di materiali relativamente più economici (ma più sicuri) come il silicio e gli ossidi di vanadio alla creazione di ‘nanostrutture’ all’interno delle cellule per creare più superficie, gli scienziati stanno pensando di nuovi modi per migliorare le attuali batterie agli ioni di litio capacità energetica e misure di sicurezza.