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Le batterie agli ioni di litio o Li-Ion sono un tipo di batteria ricaricabile utilizzata in molte applicazioni, ma soprattutto nell'industria elettronica. Le batterie agli ioni di litio forniscono elettricità portatile, alimentando gadget elettronici come telefoni cellulari, computer portatili e tablet. Le batterie agli ioni di litio sono utilizzate anche per fornire energia alle apparecchiature mediche, ai veicoli elettrici e agli utensili elettrici. Dalle apparecchiature mediche salvavita agli yacht di lusso, le batterie al litio garantiscono il funzionamento sicuro e affidabile dell'essenziale e delle comodità della vita moderna.

Le batterie al litio sono in circolazione dagli anni '90 e sono diventate la scelta obbligata per alimentare qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari ai computer portatili, dai pacemaker agli utensili elettrici, dalle apparecchiature mediche salvavita agli scooter per la mobilità personale. Continuate a leggere se volete saperne di più su alcuni degli usi di queste batterie ricaricabili realizzate con la tecnologia delle celle metalliche agli ioni di litio.

Le batterie agli ioni di litio sono di diversi tipi, ma in genere sono costituite dai seguenti componenti:

• Catodo o elettrodo positivo: Fonte di ioni di litio che determina la capacità e la tensione della batteria.
• Anodo o elettrodo negativo: Sezione che immagazzina e rilascia ioni attraverso un'unità esterna.
• Elettrolita: Mezzo che trasporta gli 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.

Cosa sono le batterie al litio?

La tecnologia delle batterie agli ioni di litio utilizza ioni metallici di litio come componente chiave della sua elettrochimica.

Gli ioni di litio metallico sono diventati una scelta popolare per le batterie grazie alla loro elevata densità energetica e al peso ridotto. Un esempio significativo sono le batterie agli ioni di litio, utilizzate in un'ampia gamma di dispositivi elettronici, dagli smartphone ai computer portatili. Un altro tipo di batterie, quelle al litio-ferro-fosfato, offrono una maggiore stabilità e una durata di vita più lunga. Questo le rende adatte all'uso nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo di energia su larga scala.

Fondamentalmente, le batterie al litio hanno quattro componenti chiave.

• Materiale del catodo: Il materiale utilizzato per l'elettrodo positivo determina la tensione e la capacità della batteria agli ioni di litio, oltre a essere la fonte degli ioni di litio. Esistono diversi materiali catodici. Ad esempio, una batteria al litio-ferro-fosfato (LiFEPO4) utilizza il litio-ferro-fosfato come materiale catodico.
• Materiale anodico: Quando il pacco batteria agli ioni di litio viene caricato, il materiale anodico dell'elettrodo negativo è quello che attraversa la corrente elettrica proveniente da un circuito esterno. È anche il luogo in cui vengono immagazzinati gli ioni di litio.
• Elettrolita: È composto da additivi, solventi e sali. È il condotto tra il catodo e l'anodo.
• Separatore: È l'elemento che separa i materiali dell'anodo e del catodo.

I sette usi principali della batteria ricaricabile agli ioni di litio

1. Backup dell'alimentazione di emergenza o UPS (Uninterruptible Power Supply)

Una batteria al litio per un backup di emergenza o un gruppo di continuità vi protegge dalla tradizionale perdita o instabilità di corrente. È diverso da un generatore o da un altro sistema di backup dell'alimentazione di emergenza in quanto fornisce energia quasi istantanea per far funzionare (o spegnere in sicurezza) le apparecchiature a cui è collegato. I sistemi di backup dell'alimentazione di emergenza sono utili per le apparecchiature critiche: computer, tecnologia di comunicazione e tecnologia medica.

2. Alimentazione elettrica e per veicoli ricreazionali affidabile

Le batterie al litio offrono un'alimentazione affidabile, stabile e di lunga durata: la soluzione migliore per stare comodi ed esplorare in sicurezza luoghi remoti. Con una durata di oltre dieci anni, le batterie al litio forniscono energia per lunghi viaggi e perdono poca energia tra un utilizzo e l'altro. Le leggere batterie al litio alimentano il camper o il veicolo elettrico con una maggiore efficienza grazie al peso e alle dimensioni ridotte rispetto alle batterie al piombo.

3. Prestazioni marine affidabili e leggere

Mescolando acqua ed elettricità si possono verificare numerosi problemi. La batteria al litio vi permette di concentrarvi sul divertimento in acqua e non sulla preoccupazione di sapere se il vostro motore marino si avvia alla fine di una lunga giornata.

L'aggiornamento della vostra imbarcazione con una batteria al litio ricaricabile di lunga durata vi offre anni di avviamento affidabile del motore con una frazione del peso di una batteria tradizionale al piombo.

Sia che dobbiate alimentare un piccolo trolling motor, sia che dobbiate alimentare tutte le comodità di casa su uno yacht, le batterie al litio sono capaci e affidabili.

4. Accumulo di energia solare

L'uso dell'energia solare negli Stati Uniti è aumentato di 30% dal 2013 al 2014. Anche nel deserto, ci sono giorni in cui il sole non splende o periodi in cui le apparecchiature solari devono essere riparate. Evitate di rimanere al buio con le batterie al litio per l'accumulo di energia solare.

Le batterie al litio ricaricabili sono le più adatte ai pannelli solari per le modalità e la velocità di ricarica. I pannelli solari producono una bassa resistenza di carica, che è quella richiesta dalle batterie al litio. Inoltre, le batterie al litio si caricano rapidamente, consentendo di massimizzare il potenziale di accumulo di energia solare da ogni giorno di luce solare.

Per saperne di più su come calcolare il fabbisogno energetico e trovare la batteria ottimale per la vostra applicazione e il vostro utilizzo, visitate il nostro strumento di selezione delle batterie al litio.

5. Sistemi di sorveglianza o di allarme in luoghi remoti

Non lasciate che l'assenza di elettricità cablata limiti la vostra sicurezza. Dovete monitorare perimetri remoti, una flotta di veicoli, cantieri o un luogo temporaneo dove non è possibile installare un sistema di allarme permanente? Proteggete uno di questi luoghi difficili con un sistema di sorveglianza o di allarme alimentato da batterie al litio.

Le batterie al litio ricaricabili sono ideali per i sistemi di monitoraggio remoto grazie alla loro lunga durata, alle dimensioni ridotte e al fatto che non perdono energia per autoscaricamento durante il periodo di inattività del sistema. Le batterie al litio hanno un tasso di autoscarica 10 volte inferiore a quello delle batterie al piombo, il che le rende ideali per le situazioni in cui non vengono utilizzate continuamente.

6. Libertà personale con le attrezzature per la mobilità

La tecnologia moderna ha reso la vita quotidiana più facile per le persone con difficoltà motorie. Dalle sedie a rotelle elettriche ai montascale, molte persone dipendono da una tecnologia di mobilità affidabile per vivere una vita indipendente. Le batterie al litio leggere sono la scelta ideale per le apparecchiature per la mobilità, in quanto offrono la possibilità di personalizzare le dimensioni, una durata maggiore, una ricarica rapida, un basso tasso di autoscaricamento e un'autonomia prolungata rispetto alle batterie al piombo.

7. Alimentatori portatili che eliminano i tempi morti

Le batterie al litio ricaricabili sono note per l'alimentazione dei nostri telefoni e dei più recenti e leggeri computer portatili. Le batterie al litio sono più leggere e più piccole di quelle al piombo. Inoltre, tollerano il movimento e le variazioni di temperatura e mantengono la loro potenza durante l'uso.

Sicurezza e rischi ambientali della batteria agli ioni di litio

Nonostante l'ampia diffusione e l'efficienza energetica, le batterie agli ioni di litio non sono perfette: se prodotte, utilizzate e conservate in modo improprio, possono costituire un pericolo per la sicurezza. Poiché contengono elettroliti infiammabili, le batterie agli ioni di litio tendono a pressurizzarsi fino a esplodere in caso di danni strutturali. Se caricate troppo velocemente, le batterie agli ioni di litio possono anche correre il rischio di cortocircuitare e causare un'esplosione.

Per questo motivo, e per il suo diffuso utilizzo nella maggior parte dei prodotti commerciali, gli standard di sicurezza e i test di sicurezza delle batterie agli ioni di litio sono molto più severi rispetto ad altri tipi di batterie. Gli elettroliti infiammabili presenti nelle batterie agli ioni di litio fanno sì che una produzione impropria possa portare a risultati spesso disastrosi.

Le batterie agli ioni di litio sono inoltre soggette a danni quando vengono caricate oltre i 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 prematuro delle celle della batteria, che, nel migliore dei casi, significa che la batteria immagazzina energia in modo meno efficiente o, nel peggiore dei casi, provoca l'esplosione dei componenti reattivi nelle celle.

Se conservate troppo a lungo, le batterie agli ioni di litio possono anche degradarsi prematuramente, il che significa che non saranno in grado di raggiungere la loro normale gamma di tensione quando verranno utilizzate. Anche se le batterie agli ioni di litio utilizzano metalli "meno tossici" come il ferro, il nichel, il rame e il cobalto (e sono classificate come tali), la loro produzione e il metodo di smaltimento possono comunque rappresentare un rischio sostanziale per l'ambiente.

Sebbene i componenti metallici delle batterie agli ioni di litio siano riciclabili e addirittura sicuri sia per l'incenerimento che per le discariche, il loro riutilizzo e la loro riproduzione in altri prodotti è un processo lungo e costoso che, a sua volta, induce i produttori a rinunciare al riciclaggio e a estrarre nuovi componenti.

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.

Vantaggi e svantaggi delle batterie agli ioni di litio

Oggi le batterie agli ioni di litio si stanno diffondendo e stanno sostituendo le batterie tradizionali a un ritmo molto veloce. Per ottenere le migliori prestazioni da una batteria agli ioni di litio, è molto importante comprendere non solo i vantaggi ma anche gli svantaggi di questa tecnologia.

Vantaggi

• Alta densità energetica: Questo è il vantaggio più importante delle lib. La densità di energia consente alla batteria di fornire energia per una durata maggiore tra una carica e l'altra e rende possibile l'inserimento in vari tipi di dimensioni.
• Autoscarica: Le LIB hanno un tasso di autoscarica relativamente molto basso rispetto agli altri tipi di batterie. Il tasso di autoscarica di una LIB è di circa 4,5% nelle prime 4 ore, per poi scendere drasticamente a 1-2% al mese.
• Bassa manutenzione: Da un lato le altre batterie, come quelle al piombo, richiedono un rabbocco periodico e le batterie al nichel-cadmio una scarica periodica, dall'altro le LIB non richiedono alcuna manutenzione attiva.
• Disponibile in varie misure: Grazie alla loro disponibilità in varie dimensioni, le LIB hanno un'ampia gamma di applicazioni e possono quindi essere utilizzate in modo quasi universale, dagli smartwatch e i telefoni cellulari ai veicoli elettrici, agli utensili elettrici e alla tecnologia aerospaziale.
• Alta tensione: Le LIB forniscono una tensione costante di 3,6 volt fino alla scarica, mentre le altre batterie forniscono una tensione di 1,5-2 volt per cella. Ciò consente di produrre un'elevata tensione per cella e una singola cella può soddisfare il fabbisogno energetico di uno smartphone.

Svantaggi

• Requisiti del sistema di gestione delle batterie: Le LIB richiedono un circuito di protezione incorporato per garantire il funzionamento della batteria entro limiti di sicurezza. Queste batterie devono inoltre essere protette da sovraccarichi e scariche eccessive.
• Invecchiamento: Questo è uno dei principali svantaggi delle LIB e l'invecchiamento non dipende solo dal tempo, ma anche dal numero di cicli di carica e scarica. Le LIB invecchiano anche indipendentemente dal fatto che siano in uso o meno.
• Costo: In genere, il costo di produzione di una normale batteria LIB è 40% superiore a quello di una batteria al nichel-cadmio. Pertanto, il costo complessivo dei beni di consumo prodotti in serie aumenta. Ciò può essere ben compreso dal fatto che i veicoli elettrici sono molto più costosi delle loro varianti a combustibile fossile.
• Impatto ambientale: L'estrazione del litio e il processo di produzione delle LIB hanno un impatto negativo sull'ambiente e l'utilizzo di metalli tossici come il nichel, il cobalto, il magnesio, ecc. peggiorano ulteriormente la situazione.

Domande frequenti: