Batteria al litio per auto elettrica, tipologie, come è fatta
Ne abbiamo recensite 6 tipologie di batterie al litio: LCO all'ossido di cobalto (LiCoO2), LMO all'ossido di manganese (LiMn2O4), NMC all'ossido di Nickel Manganese Cobalto, LFP al fosfato di ferro (LiFePO4), LTO al titanato di litio (Li2TiO3)
Le batterie al litio non sono tutte uguali: scopriamo come sono fatte, le diverse caratteristiche e tipologie di costruzione di accumulatori al litio realizzati con le diverse tecnologie, quelle al litio impiegate sulle auto elettriche e quelle che arriveranno nei prossimi 5-10 anni: LCO all’ossido di cobalto (LiCoO2), LMO all’ossido di manganese (LiMn2O4), NMC all’ossido di Nickel Manganese Cobalto, LFP al fosfato di ferro (LiFePO4), LTO al titanato di litio (Li2TiO3).
Parliamo delle batterie impiegate sulle auto elettriche ed ibride.
Batteria al litio ossido di manganese (LiMn2O4) — LMO
Questo tipo di batteria al litio e manganese (LMO NMC), è usata su molte auto elettriche come la Nissan Leaf e la BMW i3: la parte LMO (circa il 30%) dà elevate correnti in accelerazione, la parte NMC assicura una maggiore autonomia.
Questa batteria impiega il litio – ossido di manganese al catodo: i microcristalli di questa sostanza formano un’architettura tridimensionale che favorisce il flusso di elettroni, riducendo la resistenza elettrica e consentendo un maggiore controllo della corrente, in quanto gli elettroni passano attraverso una sorta di microscopici canali (vedi immagine): la struttura microscopica si presenta come una griglia di cristalli.
Una cella al litio di questo tipo buona stabilità termica e maggiore sicurezza rispetto ad altre soluzioni, ma ha una minore energia specifica rispetto alla litio-cobalto e una durata inferiore sia della carica che della vita stessa della batteria.
La bassa resistenza interna permette ricariche rapide e alte correnti di scarica: un pacco di batterie del tipo 18650 (18 mm x 65 mm, poco più larghe del formato AA) può sopportare correnti fino a 30 A con moderati aumenti di temperatura, che comunque non deve superare gli 80°C per non danneggiare il sistema.
La batteria litio-manganese ha una capacità inferiore di circa un terzo rispetto alla litio-cobalto, ma la progettazione di questo tipo di batterie viene indirizzata per aumentarne o il ciclo di vita, o la potenza specifica, o la capacità. Quindi la batteria tipo 18650 ha una capacità di 1.100 mAh nella versione più longeva e 1.500 mAh in quella con maggiore capacità. I nuovi sviluppi hanno migliorato questo tipo di batteria sotto tutti gli aspetti, ma la litio-manganese “pura” è usata tuttora solo per impieghi speciali.
Per prolungarne la vita utile e l’energia specifica, le celle a litio-manganese vengono combinate con quelle a litio e ossido di nickel-manganese cobalto (NMC).
Questo tipo di batterie sono usate anche per strumenti di elevata potenza, attrezzature mediche e auto elettriche e ibridi.
Batteria al litio ossido di cobalto (LiCoO2) — LCO
La batteria Litio-Cobalto, grazie alla sua alta energia specifica, è la più diffusa su smartphone, pc portatili e fotocamere digitali. È formata da un catodo in ossido di cobalto e un anodo in grafite. Il catodo ha una struttura microscopica a piani sovrapposti, tra i quali scorrono gli ioni di litio. Durante il funzionamento gli ioni di litio vanno dall’anodo al catodo, mentre in fase di carica il flusso si inverte. I difetti di questo tipo di cella sono una vita relativamente corta, una bassa stabilità termica e una bassa potenza specifica.
Questo tipo di batteria è soggetto al fenomeno del SEI (solid electrolyte interface), ovvero al deposito sull’anodo di uno strato di litio solido che ne aumenta la resistenza, specie a causa di ricarica rapida a basse temperature. Nelle batterie più recenti di questo tipo sono stati aggiunti nickel, manganese e alluminio per migliorarne la durata e abbassarne i costi.
La batteria al litio cobalto non andrebbe caricata e scaricata a una corrente superiore a quella delle sue celle. Se per esempio la cella è da 2,4 mAh, i produttori raccomandano di effettuare carica e scarica a circa 2 mA. L’apposito circuito di protezione presente in queste batterie limita queste correnti durante le fasi di funzionamento della batteria.
La batteria al litio e cobalto sta cedendo il passo alla litio – manganese, a causa dell’alto costo del cobalto e del miglioramento delle prestazioni delle batterie che utilizzano catodi con diversi materiali.
Batteria al litio e ossido di Nickel Manganese Cobalto (LiNiMnCoO2) — NMC la più diffusa
Quella al litio, nichel, manganese cobalto è la chimica più utilizzata sulle batterie delle auto elettriche come la ZOE sulla batteria da 41 kWh (NCM 622 (Nichel-Cobalto-Manganese 60%-20%-20%).
Il success di questo tipo di batteria è dovuto al catodo in nickel, manganese e cobalto, che permette di ottimizzare la batteria o per fornire la massima energia possibile o la massima potenza: la batteria 18650 può fornire 2.800 mAh e sopportare di essere attraversata da una corrente di 4 o 5 A, oppure 2.000 mAh ma con una corrente di 20 A. Applicando silicio sull’anodo la capacità può arrivare a 4.000 mAh ma si riducono la capacità e la vita della batteria.
L’unione di nickel e manganese permette di avere allo stesso tempo l’alta energia specifica del nickel e la struttura cristallina del manganese: quindi si hanno vantaggi sia elettrici che strutturali.
Le batterie NMC possono presentare al catodo una combinazione 1-1-1 (una parte nickel, una parte manganese e una parte cobalto) oppure 5-3-2. I costruttori stanno cercando di ridurre il cobalto a favore del nickel per ridurre i costi, anche se diminuendo la percentuale di cobalto si abbassa la tensione di cella. Grazie ai nuovi elettroliti e additivi le celle NMC possono essere caricate a 4,4 V.
Questo tipo di batterie sono impiegate sia nella trazione sia nello storage, grazie alla loro adattabilità a diversi impieghi, ottenuta dalla combinazione di nickel e manganese.
Batteria al litio e fosfato di ferro (LiFePO4) — LFP
L’impiego di fosfato di ferro come catodo consente di ottenere una bassa resistenza, elevate correnti, cicli di vita più lunghi e contemporaneamente buona stabilità termica e sicurezza. Tutto ciò è possibile grazie alle nanotecnologie applicabili a tale materiale.
Le celle così strutturate resistono meglio a elevate tensioni di cella applicate a lungo, ma hanno una tensione nominale di soli 3,2 V che ne riduce l’energia specifica rispetto alle celle al cobalto.
Altro difetto di questa tecnologia è la maggiore corrente di autoscarica, che può provocare problemi di bilanciamento delle batterie con l’invecchiamento. Questo problema è controllabile con appositi dispositivi elettronici, con un aumento del costo. Inoltre questo tipo di cella soffre molto l’umidità, dalla quale va accuratamente protetta.
Le batterie al litio-fosfato sono spesso utilizzate per sostituire le classiche batterie di avviamento al piombo-acido nelle autovetture.
Batteria al litio e ossido di nickel, cobalto e alluminio (LiNiCoAlO2) — NCA
Le celle NCA hanno caratteristiche simili alle NMC, ovvero alta energia specifica, buona potenza specifica e lungo ciclo di vita. I principali difetti sono la sicurezza e i costi.
Le NCA sono l’ultimo sviluppo delle celle al litio e ossido di cobalto, con l’aggiunta di alluminio che conferisce maggiore stabilità chimica. Per le loro potenzialità di sviluppo sono considerate le principali candidate per la trazione elettrica.
Batteria al titanato di litio (Li2TiO3) — LTO
Il titanato di litio viene utilizzato all’anodo della batteria e presenta una struttura microcristallina. Il catodo da abbinare può essere all’ossido di litio e manganese (LMO) o con aggiunta di cobalto (NMC). La tensione di cella è di 2,4 V, può essere sottoposta a ricarica rapida e può sopportare una corrente di scarica di 10 volte la capacità nominale.
Queste celle sono sicure, presentano eccellenti caratteristiche di scarica a basse temperature e la loro durata stimata è maggiore delle normali Li ion. Altri vantaggi rispetto alle batterie con il classico anodo in grafite sono la maggiore resistenza, l’assenza dei fenomeni di deposito di litio sull’anodo in situazione di veloce carica o scarica alle basse temperature e alta stabilità alle alte temperature.
I principali difetti sono i costi elevati e la bassa densità energetica (circa 65 Wh/kg), vicina a quella delle batterie al Ni-Cd. Vengono impiegate per autotrazione, UPS e lampioni stradali fotovoltaici.
Batteria agli ioni di litio e zolfo
La società americana Lyten ha sperimentato e testato un nuovo tipo di batteria al litio di zolfo, con nuove celle chiamate Li-S che garantiscono una capacità di accumulo tripla a parità di peso.
Una batteria agli ioni di litio è alloggiata sul pianale dell’auto elettrico
Guarda le auto elettriche che utilizzano batterie al litio e molto interessante la lettura di COME vengono costruite le batterie al litio.
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