Le batterie agli ioni di litio

Dopo aver fatto una breve introduzione sul funzionamento delle batterie, parliamo ora delle batterie più diffuse in commercio: le batterie agli ioni di litio.
Il litio, il cui simbolo chimico è Li, è un metallo alcalino con numero atomico 3 che, nella sua forma pura, si presenta come un metallo soffice color argento. Come gli altri metalli alcalini, il litio è altamente infiammabile, corrosivo, tossico e leggermente esplosivo se esposto all’aria o all’acqua, con le quali reagisce violentemente producendo idrogeno. Le applicazioni del litio sono molteplici. In particolare è usato nell’industria del vetro, nelle alligazioni di leghe metalliche utilizzate nell’industria aereonautica e appunto nelle batterie.


La cella della batteria al litio è costituita da elettrodi formati da composti di litio organici con struttura intercalante, in grado cioè di accettare o di cedere gli ioni di litio senza creare particolari modifiche al proprio reticolato cristallino. Tra i due elettrodi si viene a creare infatti un flusso di ioni (la cui direzione dipende dalla condizione di carica o scarica della batteria) che, una volta raggiunto l’elettrodo, penetrano all’interno dello stesso andando a occupare una posizione interstiziale. Le celle al litio-ione più diffuse hanno l’anodo a base di grafite e il catodo formato da litio-ossido di cobalto (LiCoO2) o manganato di litio (Li2MnO4), con una struttura a strati collegata a dei connettori metallici, di rame per l’anodo e di alluminio per il catodo. Gli elettrodi sono poi separati da un feltro microporoso di polyethilene o polypropylene che ne evitano il corto circuito. Il tutto immerso in un elettrolita organico. Questo sistema è inserito in un contenitore rigido, metallico, di forma cilindrica o prismatica.

Il processo elettrochimico all’interno della cella si sviluppa con l’intercalazione degli ioni litio in fase di carica e il loro rilascio in fase di scarica al polo negativo e in modo analogo, ma opposto, al polo positivo. Un esempio di rappresentazione di questo processo è dato dalle seguenti reazioni chimiche di carica e scarica:

Anodo:

Catodo:

dove M, come abbiamo già visto, può essere per esempio cobalto (Co) o manganese (Mn). Vi è quindi un trasferimento ciclico degli ioni attraverso l’elettrolita che provoca un flusso di elettroni che, grazie ai connettori metallici collegati agli elettrodi, attraversa il circuito esterno. La tensione nominale di una batteria litio-ione è pari a 3.6 V.

Queste batterie hanno numerosi vantaggi rispetto alle altre tipologie, ma presentano anche alcuni svantaggi. La tensione di scarica, infatti, dipende sia dalla corrente che dalla temperatura, infatti a correnti più elevate decresce poiché l’elettrodo negativo è più polarizzato, e decresce anche alle basse temperature, a causa dell’elettrolita acquoso che risulta avere una mobilità ionica ridotta. Questi due fattori influenzano anche la capacità della cella, in quanto essa diminuisce all’aumentare della corrente e al diminuire della temperatura. Questi fenomeni sono ben visibili nei due grafici riportati nelle figure di seguito.

Andamento della tensione di scarica per diversi valori della corrente [www.kokam.com]

Andamento della tensione di scarica per diversi valori della temperatura [www.kokam.com]

Oltre ad essere molto sensibili alla temperatura, queste batterie hanno un elevato grado di deterioramento in condizioni di sovraccarica e di sotto scarica. Infatti se la tensione di cella scende sotto un certo livello, l’elettrodo negativo inizia a dissolversi nell’elettrolita, diminuendo le prestazioni della batteria. Nel caso di sovraccarica, invece, avviene la placcatura del litio nell’anodo, mentre il catodo diventa un agente ossidante, perde stabilità, e comincia a rilasciare ossigeno. La batteria può quindi surriscaldarsi o infiammarsi. Un altro fattore svantaggioso è quindi la loro pericolosità, infatti se la batteria raggiunge condizioni di lavoro estreme possono avvenire fughe di gas altamente infiammabili ed esplosioni, in quanto il litio è in contatto diretto con l’elettrolita. Per evitare queste condizioni pericolose o il danneggiamento del sistema, queste batterie sono provviste di un circuito di gestione e di protezione che regola ed eventualmente interrompe il flusso di corrente nelle celle.