Accumulatore di litio | |
Batteria al litio di Varta , Museum Autovision , Altlußheim , Germania | |
Caratteristiche | |
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Energia / Peso | da 100 a 250 (teorico) Wh /kg |
Energia / Volume | da 200 a 620 Wh / |
Efficienza carica-scarica | 90 % |
Energia / Prezzo pubblico | 4 Wh / € |
Autoscarica | Dall'1% al 10% al mese |
Tutta la vita | 7 anni |
Numero di cicli di carica | 1.200 cicli |
Tensione nominale per cella | 3,6 o 3,7 V |
Un accumulatore al litio è un accumulatore elettrochimico la cui reazione si basa sull'elemento al litio .
All'inizio del XXI ° secolo, questo tipo di batteria ha la più alta energia specifica (rapporto energia / massa) e la maggiore densità di energia (rapporto energia / volume).
A causa del rischio di esplosione e combustione del litio in questo tipo di accumulatori, sono soggetti a restrizioni nel trasporto, in particolare per via aerea . Gli incendi al litio richiedono molto tempo per spegnersi.
Il rover Opportunity incorpora un accumulatore agli ioni di litio ricaricabile dai suoi pannelli solari . Ha operato per molti anni nonostante il freddo intenso a -100 °C sul pianeta Marte .
Esistono tre tipi principali di batterie al litio :
A differenza di altri accumulatori, gli accumulatori agli ioni di litio non sono collegati a una coppia elettrochimica . Qualsiasi materiale in grado di ospitare ioni di litio al suo interno può costituire la base di un accumulatore agli ioni di litio . Questo spiega la profusione di varianti esistenti, a fronte della costanza osservata con le altre coppie. È quindi difficile trarre regole generali su questo tipo di accumulatori, poiché i mercati ad alto volume (elettronica mobile) e ad alta energia ( automotive , aeronautica , ecc. ) non hanno le stesse esigenze in termini di durata, di vita, di costo o di potenza .
L'accumulatore agli ioni di litio funziona secondo il principio dello scambio reversibile di ioni di litio tra un elettrodo positivo, il più delle volte un ossido di metallo di transizione litiato (biossido di cobalto o manganese) e un elettrodo negativo di grafite (sfera MCMB). L'utilizzo di un elettrolita aprotico (un sale LiPF6 sciolto in una miscela di carbonato) è obbligatorio per evitare di degradare gli elettrodi molto reattivi.
La tensione nominale di un elemento agli ioni di litio è 3,6 V o 3,7 V . La densità energetica degli accumulatori agli ioni di litio può raggiungere un livello di 200 Wh/kg .
L'elettrolita è un polimero gel. L'accumulatore polimerico agli ioni di litio utilizza un principio di funzionamento simile agli accumulatori agli ioni di litio e presenta caratteristiche simili.
La tensione di una cella Li-Po è 3,7 V ; più elementi sono generalmente assemblati in "pacchi":
Le batterie al litio sono la fonte di alimentazione per la maggior parte degli smartphone , tablet e laptop moderni.
Gli accumulatori ai polimeri di litio sono comunemente utilizzati per fornire energia a modellini in scala (auto, aeroplani, droni, ecc. ), ULM e paramotori , biciclette , moto, scooter, go-kart a pedalata assistita , nonché la motorizzazione principale o di emergenza di imbarcazioni.
In campo aeronautico, alcuni modelli (ad esempio i prodotti delle società Yuneec (Cina) ed Electravia (Francia)) utilizzano da2007batterie industriali ai polimeri di litio come principale fonte di energia. È anche grazie a questa tecnologia che il7 aprile 2010, il Solar Impulse , un prototipo di aeroplano solare svizzero, ha completato con successo il suo primo volo.
L' accumulatore litio-aria utilizza la coppia litio-ossigeno che offre una densità di energia molto elevata (tipicamente tra 1,7 e 2,4 kWh /kg in pratica per una cifra teorica di 5 kWh/kg ). Ciò è dovuto al fatto, da un lato, che uno dei componenti (l'ossigeno) rimane disponibile ed inesauribile senza essere immagazzinato nell'accumulatore (come nella maggior parte delle batterie e degli accumulatori ad aria), ma, soprattutto, alla bassa massa atomica e gli alti potenziali redox di litio e ossigeno. Fornendo una tensione di 3,4 V presenta però alcuni inconvenienti: corrosione, necessità di filtri (richiede aria molto pulita) e bassa potenza specifica (200 W/kg - 500 W/l ). Queste batterie non sono ancora sul mercato e richiederanno ancora anni di ricerche di laboratorio.
Nel Gennaio 2013, BMW e Toyota stanno lavorando insieme per sviluppare la prossima generazione di batterie al litio-aria, che saranno utilizzate nei veicoli ibridi ed elettrici .
La batteria al litio ferro fosfato (LFP), chiamata anche LiFe o LiFePO4, ha un voltaggio leggermente inferiore (~ 3,3 V ) ma è più sicura, meno tossica e a un costo inferiore. In effetti, il prezzo delle celle e delle batterie agli ioni di litio deriva in gran parte dai materiali utilizzati al catodo, che contengono cobalto o nichel, metalli molto costosi e che rendono più difficile il loro approvvigionamento da diversi fornitori.
In un accumulatore a batteria al litio fosfato , i catodi standard LiCo x Ni y Al z O 2 sono sostituiti dal litio ferro fosfato LiFePO 4 , un materiale poco costoso perché non contiene metalli rari ed è atossico a differenza del cobalto. Inoltre, questo catodo è molto stabile e non rilascia idrogeno responsabile di esplosioni e incendi nelle batterie agli ioni di litio, il che lo rende più sicuro.
Per lo sviluppo industriale dei veicoli elettrici (contenenti circa 30 kWh di accumulatori) è imperativa una riduzione dei prezzi. Nel 2007 il costo di un accumulatore LFP è superiore a 1.000 €/kWh e deve essere abbassato sotto i 500 €/kWh per raggiungere questo mercato. Alcuni produttori cinesi offrono15 giugno 2011Accumulatori da 3,2 V 16 Ah (o 51 Wh ) per $ 21 , o € 15 , che danno un prezzo di circa 300 € / kWh . Si ricorda che questo tipo di batteria richiede l'utilizzo di un sistema di sicurezza BMS (Battery Management System) ; il BMS aggiunge circa il 20% al prezzo.
Tuttavia, sono ancora in corso ricerche per garantire la loro durata, portare la loro capacità al livello di altre tecniche agli ioni di litio e, a lungo termine, migliorare la loro resistenza alle alte temperature: sembra che la dissoluzione del ferro (favorita dalla temperatura) influenzi negativamente influisce sulla ciclabilità di questo tipo di accumulatore.
Nel marzo 2009, un team del Massachusetts Institute of Technology ha sviluppato un processo che aumenta significativamente la velocità di ricarica delle batterie agli ioni di litio, che si trovano nella maggior parte dei nostri dispositivi ad alta tecnologia. Questa scoperta apre nuove possibilità nel campo delle auto elettriche il cui problema principale, oltre al costo, è il tempo di ricarica della batteria.
La sua densità di massa è di 200 Wh/kg prevista nel 2020, e la densità di volume è di 400 Wh/L , quindi è una batteria potente, ma pesante per le sue dimensioni rispetto alle tecnologie NCM ( nichel - cobalto - manganese ).
La durata della batteria annunciata (80% della capacità) è dell'ordine di sette anni e 3000 cicli a +1/-1°C a 23 °C , oppure tre anni e 1500 cicli a +1,2/-8°C a 23 °C °C . Sembra che le batterie sopportino bene l'alta potenza e le alte temperature ma che questo ne riduca la durata.
Rispetto ad altri accumulatori:
Le batterie ai polimeri di litio metallo (LMP), destinate al mercato automobilistico, sono in fase di sviluppo da parte di due società, Batscap (Ergué-Gabéric, Francia) e Bathium (ex Avestor) (Boucherville, Quebec). Quest'ultimo è stato acquistato su6 marzo 2007dal gruppo francese Bolloré (proprietario al 95% di Batscap) in previsione del suo utilizzo sul veicolo elettrico del gruppo, la Bluecar , utilizzato in particolare nella rete di car sharing Autolib a Parigi.
Gli accumulatori LMP hanno la forma di un film sottile avvolto. Questo film, dello spessore di circa cento micrometri , è composto da 5 strati:
L'accumulatore al litio- titanato è un'evoluzione dell'accumulatore al litio sviluppato da Toshiba con il nome di Super Charge ion Battery (SCiB).
In futuro, alcuni temono che il litio a buon mercato si esaurirà perché, mentre è molto abbondante sulla Terra, i siti in cui è facile ed economico da estrarre sono rari . Oltre il 75% della produzione proviene dai salars del Sud America, Cile , Argentina e, dal 2008 , dalla Bolivia . Un aumento dei costi del litio avrebbe un impatto sul costo delle batterie e metterebbe in pericolo la sua applicazione ai veicoli elettrici.
Nel 2009 il gruppo giapponese Nippon Mining & Metals ha annunciato l'intenzione, con l'aiuto di METI e a seguito di un bando di progetti di quest'ultima, di mettere in funzione nel 2011 un'unità industriale per il riciclaggio dei catodi delle batterie agli ioni di litio, per recuperare cobalto , nichel , litio e manganese .
In Germania, il 5 maggio 2009, l' Università tecnica di Freiberg ha lanciato una " Lithium-Initiative Freiberg " che riunisce cinque università e partner industriali in un centro di competenza relativo alle batterie agli ioni di litio più sicure ed efficienti per l'industria automobilistica. Parte del progetto è in anticipo sull'industria per migliorare le condizioni di estrazione del litio, in collaborazione con l'Università di Potosí (vicino al Salar de Uyuni ) in particolare per migliorare le tecniche di evaporazione solare e cristallizzazione selettiva dei sali. Parallelamente, verranno effettuati esperimenti sui Monti Metalliferi ( Erzgebirge ) della Sassonia , dove è presente anche il litio in concentrazioni che dovrebbero facilitarne l'estrazione.
Per quanto riguarda gli incidenti di combustione delle batterie di accumulatori elettrici al litio, le osservazioni dei raggi gamma nei temporali hanno permesso di fare confronti con altre situazioni di forti correnti elettriche locali, comprese rotture microscopiche di elettrodi nelle batterie. Questo non ha ancora un'applicazione operativa.
A causa del rischio di esplosione e combustione di questo tipo di accumulatori, sono soggetti a restrizioni nel trasporto aereo e precauzioni speciali in cabina pressurizzata .
Negli incidenti automobilistici, gli incendi delle batterie al litio possono richiedere molto tempo per spegnersi. Nel 2021, un incendio di Tesla ha impiegato 32mila galloni americani di acqua e quattro ore per estinguersi.