Batterie al litio: determinanti per la diffusione delle auto elettriche
La fonte energetica fondamentale nella trazione elettrica è rappresentata dalle batterie al litio. La ricerca va avanti senza sosta, puntando su accumulatori sempre più efficienti, affidabili e sicuri ( batterie allo stato solido…). Se ne parla ormai da anni e nell’attesa di vederli all’interno delle auto elettriche stradali di serie, facciamo un excursus sui tipi di batterie al litio più conosciute ed usate per la trazione elettrica, tralasciando quelle in uso per altri impieghi. (fonte: “Le batterie al litio nella trazione elettrica e ibrida” di E. Loffarelli)
Le batterie al litio
Le batterie al litio, ha monopolizzato il mercato delle auto elettriche, in quanto presenta molti vantaggi rispetto alle tecnologie piombo acido o a quella nichel-metal idrato.
Le caratteristiche generali che le identificano rispetto alle più vecchie tecnologie di cui sopra, si possono riassumere così:
- tempi di ricarica più bassi,
- elevata densità: almeno 150 Wh/kg: 25% in più rispetto alle NiMH,
- basso inquinamento, per l’assenza di cadmio, piombo e mercurio,
- elevato numero di cicli carica/scarica; dopo 500 cicli l’80% della capacità iniziale è garantita,
- nessun effetto memoria,
- basso tasso di autoscarica,
- possibilità di ricarica rapida.
Batterie agli ioni di litio
Un pacco batterie agli ioni di litio è composto di tante celle, di diversa forma: cilindrica, prismatica e a sacchetto. All’interno della cella, gli ioni di litio caricati positivamente sono trasportati tramite un elettrolita liquido (sale di litio disciolto in una sostanza organica), dall’anodo che rappresenta il polo negativo, al catodo che rappresenta il polo positivo, attraverso un separatore. Questo movimento provoca la generazione di corrente elettrica.
Le batterie al litio più comuni sono quelle Li-ion, agli ioni di litio. La capacità della batteria dipende dai numeri degli ioni di Li+ che l’anodo riesce ad assorbire. Questo tipo di batterie hanno come nemico il calore che innescano durante le fasi di ricarica e di scarica, durante l’uso; per questo è necessario gestire la ricarica attraverso circuiti dedicati.
Efficienza Coulomb o efficienza di carica
L’aumento della temperatura, modifica la struttura degli elettrodi a causa dell’effetto degli ioni Li+ e può determinare la cristallizzazione dei sali di litio che come detto prima costituiscono l’elettrolita, sugli elettrodi, così da intasare i pori ed impedendo di fatto l’assorbimento degli ioni Li+. L’accettazione di carica della batteria è nota come “efficienza Coulomb” o efficienza di carica. Un’accettazione di carica del 90% significa che solo il 90% dell’energia può essere disponibile.
Quali sono le batterie al litio più usate nella trazione elettrica?
Identifichiamo essenzialmente cinque tipi di batterie al litio: LTO, LMO, NMC, LFP, NCA + Flash battery e Nessox, che rappresentano le novità più importanti e recenti dalla ricerca, che in questo settore è incessante, visto che solo batterie sempre migliori, possono aiutare ed accelerare la transizione verso la mobilità full electric.
Batteria LTO (Li2TiO3)
La batteria al titanato di litio è formata da un catodo all’ossido di litio e manganese (LMO) o con aggiunta di cobalto (NMC) e da un anodo al titanato di litio appunto.
La tensione di cella è di 2,4 V, accetta la ricarica rapida e può sopportare una corrente di scarica di 10 volte superiore alla capacità nominale.
Pregi/difetti delle batterie LTO
E’ sicura e funziona bene alle basse temperature ed è molto stabile alle alte temperature e la loro durata è superiore a quella delle normali batterie al litio Li-ion, inoltre è più resistente e non si riscontrano i fenomeni di deposito di litio sull’anodo durante la ricarica veloce o scarica alle basse temperature. Non mancano i difetti, che identifichiamo nei costi alti e nella scarsa densità energetica che mediamente è di 65 Wh/kg.
Batteria LMO (LiMn2O4)
La batteria al litio ossido di manganese (LMO NMC), viene impiegata su molte auto elettriche e ibride. E’ formata da un catodo al litio ossido di manganese i cui microcristalli formano un’architettura tridimensionale che favorisce il flusso di elettroni, riducendo la resistenza elettrica e consentendo un maggior controllo della corrente, grazie al passaggio degli elettroni attraverso canali microscopici e da un anodo in grafite.
La tensione nominale di cella è di 3,80 V, la bassa resistenza interna consente ricariche rapide e alte correnti di scarica, con moderati aumenti di temperatura.
Pregi/difetti delle batterie LMO
Buona stabilità termica, sicurezza superiore alla media rispetto a quella di altre tipologie. Durata inferiore della carica e della vita stessa della batteria e densità energetica non da record, ovvero 100-135 Wh/kg.
Batteria NMC (LiNiMnCoO2)
La batteria al litio, nickel, manganese cobalto è il tipo più usato per le batterie delle auto elettriche. Il catodo è in nickel, manganese e cobalto, che permette di ottimizzare le prestazioni energetiche e della potenza. L’anodo è in silicio.
L’unione del nickel e del manganese, dà vantaggi sia elettrici che strutturali, grazie all’alta energia specifica del nickel e alla struttura cristallina del manganese.
Per abbassare i costi, i progettisti, stanno cercando di diminuire il cobalto a favore del nickel, ma così facendo si abbassa la tensione di cella, che grazie ai nuovi elettroliti e additivi, si attesta a 4,4 V.
Pregi/difetti delle batterie NMC
Le batterie NMC, possono essere usate sia per la trazione che per l’accumulo di energia e se sono per le auto elettriche, la miscela prevede l’utilizzo di ⅓ di nickel, ⅓ di manganese e ⅓ di cobalto. Queste caratteristiche, conferiscono efficienza ed economicità delle singole celle.
L’elevata densità energetica e le elevate correnti di scarica, completano il quadro positivo. La resistenza di scarica delle batterie NMC è inversamente proporzionale alla temperatura, tant’è che al diminuire della temperatura, la resistenza interna della batteria tende ad aumentare in funzione dei differenti stati di carica,raggiungendo il valore massimo alle basse temperature, con valori dello stato di carica al 20%; con uno stato di carica tra il 20% e l’80% la resistenza interna si stabilizza, mantenendo i valori pressoché costanti.
La tensione di cella è legata al valore della resistenza interna, per cui, in caso di utilizzo di queste batterie nelle auto elettriche, è necessario conoscerne il comportamento in funzione della temperatura. La batteria NMC, può vantare bassa autoscarica; dopo 60 ore di non utilizzo, una cella subisce un calo di circa 30 mV.
Batteria LFP (LiFePO4)
La batteria al litio e fosfato di ferro, impiega il catodo al fosfato di ferro appunto, che permette di prelevare correnti elevate, di avere buona stabilità e di allungare la vita dell’accumulatore. Questo, grazie alle nanotecnologie applicabili al materiale stesso.
Le celle delle batterie LFP, resistono meglio ad elevate tensioni di cella per un lungo tempo, ma la tensione nominale di cella, di soli 3,2 V, riduce l’energia specifica rispetto alle celle al cobalto.
Le batterie LFP, sono caratterizzate da bassa resistenza interna ed elevate correnti di scarica ed offrono ottime performance elettrochimiche.
Pregi/difetti delle batterie LFP
Rispetto alle batterie LMO, hanno una densità energetica minore, che varia tra 90 e 120 Wh/kg. Però hanno una durata maggiore, infatti i cicli di scarica variano tra 1000 e 2000, resistono meglio alle alte temperature di lavoro e sono le batterie al litio più sicure, grazie all’elevata stabilità chimica e alla resistenza agli stress termici.
Il difetto principale è l’elevato tasso di autoscarica; la maggiore corrente di autoscarica, provoca problemi di bilanciamento delle batterie con l’invecchiamento. Problemi che si risolvono parzialmente con l’impiego di particolari circuiti di alimentazione e controllo, che fanno lievitare i prezzi. Da segnalare il difetto legato all’umidità, di cui queste batterie soffrono.
Batteria NCA (LiNiCoAIO2)
Le batterie al litio e ossido di nickel, cobalto e alluminio, sono simili per caratteristiche a quelle NMC.
Pregi/difetti delle batterie al litio NCA
Rappresentano l’ultimo sviluppo delle celle al litio e ossido di cobalto, con l’aggiunta di alluminio, che le rende molto stabili a livello chimico. Hanno un enorme potenziale di sviluppo e sono molto adatte per un impiego specifico nella trazione elettrica..
Costano troppo e non sono tra le più sicure…
Batterie al litio: la ricerca è fondamentale
La ricerca va avanti incessantemente, per cercare di migliorare le performance del componente più importante di un’auto elettrica, cercando nuovi materiali per gli elettrodi.
Batteria Nessox
Semi-Solid flow lithium OXygen, questo il significato dell’acronimo, ovvero batteria litio/ossigeno liquido.
Prodotta da Bettery, azienda bolognese, Nessox è una batteria di tipo liquido semisolido, dall’elevata autonomia, in quanto non presenta una struttura allo stato solido.
Si ricarica in pochi minuti, senza pesare troppo sulla rete elettrica, è leggera, eco-compatibile in quanto non impiega materiali pesanti. Funziona in alta tensione ed ha una capacità di scarica molto elevata.
La densità energetica è da record e si attesta su valori superiori a 500 Wh/kg!
I costi sono in linea con gli accumulatori agli ioni di litio: 150 euro al kWh!