Sono in aumento le macchine agricole mosse da motori elettrici alimentati mediante le cosiddette “batterie al litio”, componenti che possono però essere caratterizzati da chimiche quanto mai diverse fra loro e quindi da prestazioni altrettanto diverse. In queste pagine una rassegna delle tipologie più diffuse sul mercato elaborata grazie alla collaborazione con il magazine on line “NewsAuto.it”
Batteria al litio ossido di manganese “LiMn2O4”, in sigla “Lmo”
E’ una batteria che impiega il litio – ossido di manganese al catodo sottoforma di microcristalli che formano un’architettura tridimensionale atta a favorire i flussi di elettroni e quindi a ridurre le resistenze elettriche. Ciò in quanto gli elettroni viaggiano all’interno dei microcanali realizzati dai cristalli di cui sopra. Una cella al litio di questo tipo avanza una buona stabilità termica rispetto ad altre soluzioni mentre la bassa resistenza interna permette ricariche rapide oltre ad alte correnti di scarica. La capacità di accumulo dell’energia è però inferiore di un terzo circa rispetto alle batterie con chimica di tipo litio-cobalto e inferiore è anche la durata nel tempo. Per questo motivo e per aumentarne le capacità di accumulo, le celle a litio-manganese vengono combinate con quelle al litio e ossido di nickel-manganese cobalto.
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Batteria al litio ossido di cobalto “LiCoO2”, in sigla “Lco”
E’ la batteria più diffusa negli smartphone, nei pc portatili e nei tablet ed é formata da un catodo di ossido di cobalto avente una struttura microscopica a piani sovrapposti, tra i quali scorrono gli ioni di litio e da un anodo di grafite. Vanta una elevata capacità di accumulo, ma a fronte di una vita relativamente corta e una bassa stabilità termica. E’ inoltre soggetta al fenomeno “Sei”, “Solid electrolyte interface”, che consiste nella formazione sull’anodo di un deposito di litio solido che ne aumenta la resistenza alla ricarica, specie se effettuata rapidamente e a basse temperature.
Nelle più recenti batterie di questo tipo sono stati aggiunti nickel, manganese e alluminio per migliorarne la durata e abbassarne i costi. 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”, in sigla “Nmc”
E’ la chimica più utilizzata sulle auto elettriche in quanto il catodo di nickel, manganese e cobalto permette di ottimizzare la batteria per fornire o la massima energia possibile o la massima potenza. L’unione di nickel e manganese permette inoltre di disporre allo stesso tempo dell’alta energia specifica del nickel e della struttura cristallina del manganese con vantaggi sia elettrici sia strutturali. Le batterie possono presentare al catodo una combinazione “1-1-1”, una parte nickel, una parte manganese e una parte cobalto, o “5-3-2”. I costruttori stanno cercando di ridurre il cobalto a favore del nickel per ridurre i costi, e ciò anche se diminuendo la percentuale di cobalto si abbassa la tensione di cella. 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”, in sigla “Lfp”
L’impiego di fosfato di ferro come catodo consente di ottenere una bassa resistenza, elevate correnti, cicli di vita più lunghi e contemporaneamente una buona stabilità termica, sinonimo di sicurezza. Tutto ciò è possibile grazie alle nanotecnologie applicabili a tale materiale. Le celle così strutturate resistono meglio alle elevate tensioni applicate a lungo, ma pagano tale prerogativa in termini di capacità di stoccaggio, inferiore 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. Il problema è controllabile con appositi dispositivi elettronici, ma ciò comporta una più sofisticata e costosa elettronica di gestione. Inoltre questo tipo di cella soffre molto l’umidità e quindi va adeguatamente protetta. Ciò nonostante 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”, in sigla “Nca”
Sono accumulatori aventi caratteristiche simili a quelli al Nickel Manganese Cobalto e quindi vantano alta energia specifica, buona potenza specifica e lungo ciclo di vita. I principali difetti sono però insiti nella sicurezza d’uso e nei costi elevati. Rappresentano 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 le future trazioni elettriche.
Batteria al titanato di litio “Li2TiO3” in sigla “Lto”
Il titanato di litio é utilizzato all’anodo della batteria e presenta una struttura microcristallina. Il catodo da abbinare può essere all’ossido di litio e manganese o con aggiunta di cobalto. Ogni cella può essere sottoposta a ricarica rapida e può sopportare una corrente di scarica di 10 volte la capacità nominale. Le celle sono inoltre sicure, presentano eccellenti caratteristiche di scarica a basse temperature e la loro durata stimata è maggiore rispetto ad altre batterie al litio. Altri vantaggi la 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. Hanno però il difetto di essere costose e di proporre una bassa densità energetica.
Le batterie allo stato solido
Il futuro della propulsione elettrica molto si lega al possibile sviluppo delle cosiddette “batterie allo stato solido” in quanto caratterizzate, rispetto alle attuali batterie al litio dalla presenza di un elettrolita solido anziché liquido che aumenta in maniera significativa le capacità di accumulo, riducendo in maniera altrettanto importante i tempi di ricarica. Rispetto alle batterie al litio tradizionale che è costituita da quattro elementi, anodo, catodo, elettrolita liquido e un separatore, le batterie allo stato solido sono costituire da soli tre elementi, anodo, catodo ed elettrolita solido con quest’ultimo a duplice funzione, di conduttore ionico e separatore. L
’elettrolita solido può essere realizzato con diversi materiali ed essere di tipo polimerici, ceramico o altro tipo. I primi sono costituiti da polimeri conduttivi ionici che, come tali, consentono il trasporto di ioni attraverso la loro struttura molecolare. Possono essere sintetizzati in laboratorio o ottenuti da fonti naturali, sono flessibili e possono essere processati in film sottili, consentendo l’integrazione in diverse geometrie di celle.
Gli elettroliti solidi ceramici sono composti da strutture cristalline o vetrose che facilitano il trasporto ionico, soprattutto a temperature ambiente, risultando anche molto stabili a livello chimico. Alcune batterie allo stato solido utilizzano poi elettroliti solidi ibridi, che combinano proprietà dei materiali polimerici e ceramici in modo da realizzare una migliore conducibilità ionica rispetto ai polimeri puri e una maggiore flessibilità rispetto ai ceramici puri.
Da precisare che l’elettrolita solido occupa un volume inferiore a un elettrolita liquido e quindi sommando la maggior densità energetica con il minor volume si realizzano batterie che a parità di capacità risultano molto più compatte. A tale plus si abbina la capacità di ogni singola cella di erogare corrente fino a cinque volte in più rispetto a una batteria con elettrolita liquido e ciò a fronte di una densità di energia doppia. Le batterie allo stato solido sono anche più sicure in quanto gli elettroliti solidi riducono significativamente il rischio di incendi o esplosioni e durano di più nel tempo grazie alla maggiore stabilità degli elettroliti solidi.
Ciò significa che possono sopportare un numero maggiore di cicli di carica/scarica senza subire un degrado significativo delle prestazioni, plus interessante per applicazioni che richiedono elevate prestazioni a lungo termine e una lunga durata della batteria. Di contro hanno un costo di produzione più elevato, a oggi quasi il doppio rispetto ad una tradizionale batteria al litio con elettrolita liquido. A parità di dimensioni, la batteria allo stato solido assicura alle auto elettriche un’autonomia maggiorata con un riduzione del gap rispetto a quella delle auto con motore termico a benzina e diesel, consentendo anche la riduzione dei tempi di ricarica con attese alle colonnine che si accorciano significativamente.
Come funziona una batteria
Le batterie funzionano sulla base di una reazione elettrochimica che si instaura fra due elettrodi, il catodo, positivo, e l’anodo, negativo, immersi in un elettrolita che collega fra loro gli stessi elettrodi permettendo il passaggio degli ioni dall’uno all’altro. Durante la scarica si crea un flusso di elettroni che viaggia dall’anodo al catodo attraverso il circuito esterno producendo corrente elettrica utilizzabile. Allo stesso tempo e all’interno della batteria si crea un flusso di ioni che si muovono nell’elettrolita dall’anodo al catodo per mantenere l’equilibrio di carica. Durante la carica, il processo è inverso: una fonte di corrente esterna forza gli elettroni a fluire verso l’anodo, accumulando energia chimica che può essere utilizzata successivamente. Questo processo è reso possibile solo da specifici materiali che consentono il flusso di elettroni e ioni in maniera controllata e reversibile, come nel caso delle batterie ricaricabili.
Titolo: Batterie al litio: funzionamento e caratteristiche
Autore: Redazione
