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Prima che la batteria agli ioni di litio entrasse in scena, lo standard era il nichel-cadmio: il litio ha una densità energetica circa doppia rispetto al nichel-cadmio, il che la rende una batteria molto più potente.

L'adozione delle batterie agli ioni di litio è aumentata notevolmente nei tempi attuali. Questo perché le batterie agli ioni di litio durano a lungo, mantengono un'elevata frequenza di potenza e sono economiche da produrre. Per trarre il meglio dalla tecnologia delle batterie agli ioni di litio, è necessario conoscerne non solo i vantaggi, ma anche i limiti o gli svantaggi. In questo modo è possibile utilizzarle in modo da sfruttarne al meglio i punti di forza.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle batterie agli ioni di litio?

Vantaggi delle batterie agli ioni di litio:

• Alta densità di energia - La batteria agli ioni di litio può avere un'elevata capacità energetica senza essere troppo ingombrante. Questo è uno dei motivi principali per cui sono così popolari nel settore dei dispositivi portatili.
• Piccolo e leggero - La batteria agli ioni di litio è più leggera e più piccola di altre batterie ricaricabili in considerazione della loro capacità. Questo la rende più pratica nei dispositivi elettronici portatili di consumo in cui le specifiche fisiche, come il peso e il fattore di forma, sono considerate importanti punti di vendita.
• Bassa autoscarica - La batteria agli ioni di litio ha un tasso di autoscaricamento estremamente basso, pari a circa l'1,5-3,0% al mese. Ciò significa che la batteria ha una durata di conservazione più lunga quando non viene utilizzata perché si scarica lentamente rispetto alle altre batterie ricaricabili. Si noti che la batteria al nichel-metallo idruro ha un'autoscarica del 20% al mese.
• Effetto non memoria - Le batterie agli ioni di litio hanno un effetto memoria nullo o minimo. Si noti che l'effetto memoria è un fenomeno osservato nelle batterie ricaricabili che perdono la loro capacità energetica massima quando vengono ricaricate ripetutamente dopo essere state scaricate solo parzialmente. Questo effetto memoria è comune nelle batterie ricaricabili al nichel-metallo idruro.
• Ricarica rapida - La batteria agli ioni di litio si ricarica più rapidamente di altre batterie ricaricabili. La ricarica richiede infatti una frazione di tempo rispetto alle altre batterie.
• Alta tensione a circuito aperto - La batteria agli ioni di litio ha una tensione a circuito aperto più elevata rispetto ad altre batterie acquose come quelle al piombo, al nichel-metallo idruro e al nichel-cadmio.
• Lunga durata di vita - Le batterie agli ioni di litio possono sopportare centinaia di cicli di carica-scarica. Alcune batterie agli ioni di litio perdono il 20% della capacità iniziale dopo 500 cicli, mentre quelle più avanzate hanno ancora capacità dopo 2000 cicli.
• Bassa manutenzione - Le batterie agli ioni di litio non richiedono manutenzione per garantire le loro prestazioni, in quanto hanno un effetto memoria nullo o ridotto e una bassa autoscarica.
• Nessun requisito per l'adescamento - Alcune celle ricaricabili devono essere innescate alla prima carica. Le celle e le batterie agli ioni di litio non richiedono questa operazione.
• Varietà di tipi disponibili - Sono disponibili diversi tipi di celle agli ioni di litio di forma cilindrica o prismatica. Questo vantaggio delle batterie agli ioni di litio consente di utilizzare la tecnologia giusta per la particolare applicazione richiesta.

Svantaggi delle batterie agli ioni di litio:

• Costoso - La produzione di batterie agli ioni di litio può essere piuttosto costosa. Il costo complessivo di produzione di queste batterie è di circa 40% superiore a quello delle batterie al nichel-metallo idruro.
• Protezione necessaria - Le celle e le batterie agli ioni di litio non sono robuste come altre tecnologie ricaricabili e richiedono una protezione da sovraccarichi e scarichi.
• Effetto dell'invecchiamento - Le batterie agli ioni di litio si degradano naturalmente con l'invecchiamento. Normalmente le batterie agli ioni di litio sono in grado di sopportare solo 500-1000 cicli di carica e scarica prima che la loro capacità scenda a 50%.
• Problemi di trasporto - Questo svantaggio delle batterie agli ioni di litio è emerso negli ultimi anni. Il trasporto delle batterie agli ioni di litio, soprattutto in grandi quantità, per via aerea, è soggetto a molte restrizioni.
• Scarico in profondità - La batteria agli ioni di litio ha una bassa autoscarica. L'integrità generale di questa batteria rimane intatta anche se parzialmente scaricata. Tuttavia, una scarica profonda o quando la tensione di una cella agli ioni di litio scende al di sotto di un certo livello, la batteria diventa inutilizzabile.
• Problemi di sicurezza - La batteria agli ioni di litio può esplodere in caso di surriscaldamento o sovraccarico. Questo perché i gas formati dalla decomposizione dell'elettrolito aumentano la pressione interna della cella. Anche il surriscaldamento o il cortocircuito interno possono incendiare l'elettrolito e causare un incendio.
• Sensibilità alle alte temperature - La batteria agli ioni di litio è soggetta all'effetto negativo del calore eccessivo causato dal surriscaldamento del dispositivo o dal sovraccarico. Il calore fa sì che le celle o i pacchi di questa batteria si degradino più rapidamente del normale.

Principio di funzionamento della batteria agli ioni di litio

Struttura di base: La batteria agli ioni di litio è una batteria ricaricabile composta da una o più celle (una cella è un comparto della batteria che genera energia) e ogni cella ha i seguenti componenti essenziali: un anodo, un catodo, un separatore, un elettrolita e due collettori di corrente, uno positivo e uno negativo. L'elettrodo positivo è costituito da ossido di litio e cobalto (LiCoO2) o da fosfato di litio e ferro (LiFePO4). L'elettrodo negativo è costituito da carbonio (grafite).

Il funzionamento generale di un LIB è il seguente:

• Il litio è immagazzinato nell'anodo e nel catodo.
• L'elettrolita trasporta gli ioni di litio con carica positiva dal catodo all'anodo e viceversa attraverso un separatore.
• Nell'anodo si creano elettroni liberi grazie al movimento degli ioni di litio.
• Questo crea a sua volta carica sul collettore di corrente positivo.
• La corrente elettrica scorre quindi attraverso un dispositivo, ad esempio un telefono cellulare, fino al collettore negativo.
• Il separatore impedisce il flusso di corrente all'interno della batteria.

Carica e scarica: Durante la scarica della batteria, l'anodo rilascia ioni di litio al catodo, generando un flusso di elettroni da una parte all'altra e durante questo processo viene fornita corrente elettrica.

Il contrario avviene quando un dispositivo è collegato e gli ioni di litio vengono rilasciati dal catodo e ricevuti dall'anodo; è proprio questo il modo in cui una batteria agli ioni di litio funziona.

Tipi di batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono classificate in base ai materiali attivi utilizzati nella loro chimica. Ogni tipo di batteria agli ioni di litio ha i suoi vantaggi e svantaggi. Fondamentalmente esistono 6 tipi di batterie agli ioni di litio disponibili sul mercato, che sono:

Batteria al litio ferro fosfato (LiFePO4) o LFP

Il fosfato è utilizzato come catodo e la grafite come anodo. LFP offre buone prestazioni e stabilità termica.

• Utilizzi: Le LFP sono le più comuni batterie agli ioni di litio utilizzate per sostituire le tradizionali batterie al piombo.
• Vantaggi: Sicurezza, durata e lungo ciclo di vita.
• Svantaggi: Le prestazioni sono inferiori alle basse temperature e hanno una bassa energia specifica.

Ossido di litio e cobalto (LCO)

Queste batterie hanno un'elevata energia specifica ma una bassa potenza specifica.

• Utilizzi: Piccoli oggetti elettronici portatili come telefoni cellulari, computer portatili, macchine fotografiche ecc.
• Vantaggi: La batteria LCO fornisce energia per un lungo periodo di tempo grazie all'elevata energia specifica.
• Svantaggi: Costoso, durata inferiore, non può essere utilizzato per applicazioni ad alto carico.

Ossido di litio e magnesio (LMO)

Gli LMO utilizzano MgO2 come materiale catodico, migliorando così il flusso di ioni.

• Utilizzi: Utensili elettrici portatili, veicoli elettrici e ibridi, strumenti medici.
• Vantaggi: Ricarica rapida, elevata erogazione di corrente, migliore stabilità termica, sicurezza.
• Svantaggi: La breve durata di vita è il principale svantaggio dell'LMO.

Ossido di nichel manganese cobalto (NMC) al litio

La combinazione di nichel, manganese e cobalto produce una chimica stabile con un'elevata energia specifica.

• Utilizzi: Utensili, propulsori elettrici per biciclette elettriche e alcuni veicoli elettrici.
• Vantaggi: Alta densità energetica, ciclo di vita più lungo e costi ridotti.
• Svantaggi: Tensione di uscita inferiore rispetto alle batterie al cobalto.

Ossido di nichel cobalto alluminio (NCA) al litio

Può erogare una quantità elevata di corrente per un tempo prolungato.

• Utilizzi: Più popolare nel mercato dei veicoli elettrici, ad esempio le auto Tesla.
• Vantaggi: Elevata energia con una discreta durata e in grado di funzionare in applicazioni ad alto carico.
• Svantaggi: Le batterie NCA sono costose e relativamente meno sicure.

Titanato di litio/ossido di litio e titanio (LTO)

Tutti i tipi di batteria sopra descritti hanno materiali catodici diversi, ma le LTO utilizzano il "titanato di litio" come anodo, mentre l'LMO o l'NMC sono utilizzati come catodo.

• Utilizzi: Veicoli elettrici, stazioni di ricarica, UPS, accumulo di energia eolica e solare, illuminazione stradale, apparecchiature militari, aerospaziali, sistemi di telecomunicazione.
• Vantaggi: Ricarica rapida, ampie temperature di funzionamento, lunga durata, grande sicurezza.
• Svantaggi: Bassa densità energetica, molto costoso.

Applicazioni della batteria agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono disponibili in varie forme e dimensioni. Sono quindi ideali per soddisfare le esigenze di alimentazione di qualsiasi sistema, indipendentemente dalle sue dimensioni e dalla sua natura. Alcune delle applicazioni più importanti delle batterie agli ioni di litio sono

• Backup di potenza/ alimentazione di emergenza/ UPS: La batteria agli ioni di litio fornisce un'alimentazione di riserva istantanea in caso di emergenza e ci permette di spegnere o mantenere in funzione le apparecchiature vitali durante la situazione di emergenza. Queste batterie sono ampiamente utilizzate nei computer, nelle comunicazioni e nella tecnologia medica.
• Unità di accumulo di energia solare: Le batterie agli ioni di litio sono le più adatte per l'accumulo di energia in un'unità di energia solare perché si caricano molto rapidamente, massimizzando il potenziale di accumulo dell'energia solare e permettendoci di estrarre la massima energia possibile dal sole.
• Come fonte di alimentazione portatile: Oggi tutti i nostri gadget elettronici, come telefoni cellulari, altoparlanti bluetooth, computer portatili, macchine fotografiche digitali, torce elettriche, ecc. sono alimentati da batterie ricaricabili agli ioni di litio che ci permettono di utilizzarli liberamente ovunque.
• Automobili elettriche/ Mobilità: L'emissione di combustibili fossili da parte dei veicoli è una delle ragioni principali dell'aumento dell'inquinamento ambientale. I veicoli alimentati con batterie agli ioni di litio riducono notevolmente l'inquinamento e, di conseguenza, la nostra impronta di carbonio.

VANTAGGI DELLO IONE DI LITIO RISPETTO ALL'ACIDO DI PIOMBO

Sistema di protezione della batteria (BPS) integrato

• Interruttore di protezione contro la bassa tensione - Si scollega automaticamente a 10,5 V.
• Interruttore di protezione da sovratensione - Si scollega automaticamente a 15,8 V.
• Interruttore di protezione da cortocircuito - Si scollega automaticamente in caso di cortocircuito.
• Interruttore di protezione contro l'inversione di polarità - Si scollega automaticamente in caso di inversione accidentale della polarità.
• Bilanciamento interno delle cellule - Bilanciamento automatico delle cellule.
• Bilanciamento della carica - Bilanciamento indipendente per più batterie collegate in parallelo o in serie.

Questo sistema di protezione della batteria è progettato per durare tutta la vita della batteria e fornire energia affidabile per migliaia di cicli.

Peso significativamente inferiore

Di solito sono più leggere di circa 70% rispetto alle batterie al piombo delle stesse dimensioni.

Orientamento

Una batteria LiT può essere montata e utilizzata in qualsiasi direzione.

Carica rapida

Una batteria Lithium Ion Technologies® può essere ricaricata completamente in appena 1 ora da una batteria completamente scarica. Se si dispone di una batteria Lithium Ion Technologies® da 100 ampere/ora e di un caricabatterie da 100 ampere, sarà sufficiente un'ora per ricaricarla completamente.

Nessuna caduta di tensione

La curva di tensione è quasi piatta e fornisce una tensione e una potenza più elevate durante l'intero ciclo di scarica. A Batteria agli ioni di litio da 12 V ha una caduta di tensione minima o nulla durante l'avviamento del motore. Ciò consente un avviamento più rapido di circa 25% rispetto a una batteria al piombo. Quando si fa girare il motore con una batteria al piombo, la tensione può scendere fino a 9 V, rallentando l'avviamento.

Efficienza di carica

Quando si carica una batteria al piombo acido, si possono perdere da 15 a 30% di energia tra il caricabatterie e la batteria a causa della perdita di calore. Una batteria Lithium Ion Technologies® ha un'efficienza di 99,1% e accetta quasi 100% di energia dal caricabatterie, dai pannelli solari o da altre tecnologie di generazione di energia.

Algoritmo di carica

Le batterie agli ioni di litio possono essere caricate a corrente e tensione costante (CC, CV). Ciò significa che quasi tutti i caricabatterie, indipendentemente dall'algoritmo, possono caricare una batteria Lithium Ion Technologies®. Un algoritmo in genere rallenta la corrente che entra nella batteria dal caricabatterie. Le batterie al piombo si riscaldano e si gonfiano se ricevono una corrente costante, quindi i produttori di caricabatterie creano algoritmi per rallentare la corrente e proteggere la batteria dal surriscaldamento. Una batteria LiT® non si riscalda durante la carica.

Carica alla rinfusa, assorbente e fluttuante

Se il caricabatterie è programmabile per diversi tipi di batterie o per impostazioni personalizzate, si consiglia di impostarlo come segue: Bulk 14,4V, Absorb 14,6V e float a 13,6V.

Nessuna autoscarica

Le batterie Lithium Ion Technologies® si autoscaricano meno di 3% al mese. Una batteria Lithium Ion Technologies® può mantenere una carica completa per oltre 1 anno e non ha praticamente alcuna autoscarica. Le batterie al piombo possono perdere fino a 30% della loro capacità al mese a causa dell'autoscarica.

A prova di vibrazioni

Le celle LiT® sono imbullonate e costruite in modo solido.

Non ci sono piastre di piombo fragili o fragili, che possono essere soggette a guasti nel tempo a causa delle vibrazioni.

Ore di amplificazione

Ciò che molti proprietari di batterie non capiscono delle batterie al piombo è che la loro capacità (Ah) è solitamente specificata alla velocità di scarica di 20 ore. A velocità di scarica elevate, superiori a 20A, la capacità utilizzabile può ridursi a meno della metà a causa dell'"effetto Peukert". Una batteria al piombo da 225AH con una velocità di scarica di 80A può funzionare solo per 53 minuti.

Maggiore densità energetica

Densità energetica 4 volte superiore a quella delle batterie al piombo.

Capacità "utilizzabile" superiore:

Una batteria Lithium Ion Technologies® può essere scaricata completamente senza danneggiarla. Le batterie al piombo forniscono in genere solo 50% di capacità utilizzabile rispetto al valore nominale in ampere/ora. Ciò significa che se la vostra applicazione richiede 400 ampere/ora di capacità utilizzabile, dovrete dimensionare un banco di batterie al piombo da 800 ampere/ora.