Laccumulatore agli ioni di litio (LiIon) è un tipo di batteria ricaricabile che utilizza la riduzione reversibile degli ioni di litio per immagazzinare energia.Silberberg, M. (2006). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change, 4th Ed. New York (NY): McGraw-Hill Education. p. 935, . È comunemente utilizzata per l'elettronica portatile, nei veicoli elettrici, in applicazioni industriali, militari e aerospaziali. L'invenzione si deve agli importanti progressi nel campo fatti a partire dagli anni settanta e ottanta da John Goodenough, Robert Huggins, Stanley Whittingham, Rachid Yazami e Akira Yoshino, progressi che nel 1991 permisero a Sony e Asahi Kasei la commercializzazione di questo tipo di batteria.
Goodenough, Whittingham e Yoshino hanno ricevuto nel 2019 il Premio Nobel per la chimica per lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio.
Storia L'accumulatore agli ioni di litio fu proposto negli anni 1970 dal chimico britannico M. Stanley Whittingham mentre lavorava alla Exxon. Furono necessari altri venti anni di sviluppo prima che fosse abbastanza sicuro per essere usato in massa sul mercato; la prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel 1991, a seguito di una ricerca di un team diretto da John B. Goodenough.
Nel febbraio del 2005 la Altair NanoTechnology, un'azienda statunitense situata a Reno (Nevada), annunciò un materiale per elettrodi di batterie al litio di dimensioni nanoscopiche. Il prototipo della batteria ha tre volte la potenza delle attuali batterie e può essere pienamente ricaricato in sei minuti.
Nel marzo 2005 la Toshiba ha annunciato un'altra batteria al litio a ricarica veloce, basata su una nuova tecnologia di nanomateriali, che procurano una ricarica ancora più veloce, una capacità più grande e un ciclo di vita più lungo. La batteria potrà essere utilizzata primariamente in settori industriali o negli autotrasporti.
Nel novembre 2005 la A123Systems annunciò una nuova batteria ancora più potente e ricaricabile più velocemente basata su una ricerca autorizzata dal MIT. La loro prima pila è in produzione (2006) e viene usata negli attrezzi di potenza e in conversioni Hybrids Plus Prius PHEV (anche se la conversione costa più del prezzo dell'auto, soprattutto a causa del costo delle batterie).
Tutte queste formulazioni coinvolgono nuovi elettrodi. Aumentando l'area effettiva dell'elettrodo - diminuendo la resistenza interna della batteria - la corrente può essere aumentata sia durante l'uso sia durante la ricarica. Questo è simile agli sviluppi ottenuti con il supercondensatore. Di conseguenza la batteria è capace di sviluppare più potenza (in watt); tuttavia, la capacità della batteria (amperora) è aumentata solo di poco.
Nell'aprile 2006 un gruppo di scienziati del MIT annunciò di aver trovato un modo per utilizzare i virus per formare cavi nanoscopici che possono essere usati per costruire batterie agli ioni di litio ultra sottili con tre volte la normale densità di energia.
Nel giugno del 2006 ricercatori in Francia hanno creato elettrodi di batteria in nanostrutture con capacità che ammontano a parecchie volte la capacità energetica, per peso e volume, degli elettrodi convenzionali.
Nel 2009 la nuova Mercedes-Benz S 400 BlueHYBRID ha visto l'inserimento integrato delle batterie agli ioni di litio all'interno del circuito di climatizzazione dell'auto, con il vantaggio di far funzionare sempre la batteria a una temperatura ottimale (15-35 °C) e di aumentare la durata e il rendimento di esercizio. La Daimler, casa costruttrice dell'auto in questione, è inoltre in fase avanzata di realizzazione di uno speciale tipo di cella piatta per ospitare la batteria che offre alta densità di energia in un ingombro ridotto e con elevati livelli di sicurezza.
Alla fine del 2009 è stata presentata una soluzione per risolvere il problema dell'esplosione di una di queste batterie in cortocircuito, si tratta d'inserire dei reagenti che bloccano la reazione chimica qualora la batteria raggiunga i 130 °C evitando di fatto l'esplosione. Un'altra possibile soluzione o palliativo al problema dell'esplosione della batteria è stata presentata da Apple, che ha presentato uno schema di una batteria munita di un involucro di rivestimento dotato di sacche e punti deboli per l'evacuazione dei vapori prodotti durante il cortocircuito.
Nel dicembre 2022, un team di ricercatori del National Accelerator Laboratory and Stanford ha ottenuto una batteria agli ioni di litio con un elettrolita a matrice polimerica contenente il 63% di sali di litio in peso (invece del tradizionale 50%). La batteria è risultata non infiammabile a 100°C.
Nel 2023 è stata sviluppata una batteria litio-aria con elettrolita solido (un polimero ceramico nanostrutturato) che raggiunge una densità energetica di 1.200 Wh per chilogrammo, quasi quattro volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio. La reazione coinvolge ossido di litio e quattro elettroni immagazzinati per molecola di ossigeno. La reazione avviene a temperatura ambiente con l'aria circostante e non richiede l'utilizzo di serbatoi.
Descrizione Gli accumulatori agli ioni di litio usano un composto di litio sul catodo e grafite o titanato di litio sull'anodo. Possono essere costruiti in una vasta gamma di forme e dimensioni, in modo da riempire efficientemente gli spazi disponibili nei dispositivi che li utilizzano. Sono anche più leggeri degli equivalenti fabbricati con altri componenti chimici, questo perché gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata, la più alta di tutti gli ioni che si sviluppano naturalmente. Gli ioni di litio sono piccoli, mobili e immagazzinabili più rapidamente di quelli di idrogeno; inoltre una batteria basata sul litio è più piccola di una con elementi di idrogeno (come per esempio le batterie NiMH) e con meno gas volatili.
Questi accumulatori hanno uno scarso effetto memoria, inoltre hanno un basso tasso di autoscarica, circa il 5% mensile rispetto all'oltre 30% mensile delle comuni batterie all'idruro metallico di nichel (NiMH)Dal 2005 la Sanyo (e in seguito altre aziende) produce un tipo di batteria NiMH a bassa autoscarica, il produttore afferma che queste celle conservano il 70-85% della loro capacità in un anno se conservate a 20 °C e al 20% mensile di quelle al nichel-cadmio, ma come altri tipi di batterie soffrono di una lenta perdita permanente di capacità.
Corrente massima e scarica La corrente massima che può essere prelevata in continuo da un accumulatore agli ioni di litio dipende sia dalla capacità, sia dal tipo di carico. Per esempio nei dispositivi dove sono richieste correnti elevate, le batterie agli ioni di litio anziché mostrare una graduale diminuzione della durata d'uso del dispositivo, possono smettere di funzionare bruscamente; al contrario i dispositivi che richiedono bassa potenza possono generalmente sfruttare l'intero ciclo di vita della batteria.
Per evitare danni irreversibili un elemento agli ioni di litio non va mai scaricato sotto una certa tensione, di conseguenza tutti i sistemi che lo utilizzano sono equipaggiati con un circuito che spegne il dispositivo quando la batteria viene scaricata sotto la soglia predefinita; dovrebbe dunque essere impossibile scaricare la batteria "profondamente" in un sistema progettato per funzionare correttamente durante il normale uso.
Autoscarica Le batterie ricaricabili agli ioni di litio, così come altri tipi di batterie ricaricabili, si scaricano gradualmente anche se non forniscono corrente e restano inutilizzate, questo comportamento di "autoscarica" viene generalmente dichiarato dai produttori ed è tipicamente pari all'1,5–2% al mese, più circa il 3% assorbito dal circuito di sicurezza. La velocità di autoscarica aumenta con l'innalzarsi della temperatura, con lo stato di carica e con l'invecchiamento della batteria.
Durata della batteria La vita media di un accumulatore agli ioni di litio è generalmente definita con il numero di cicli carica-scarica completi per raggiungere una determinata soglia di guasto, in termini di perdita di capacità o aumento di impedenza. Generalmente i produttori definiscono il numero massimo di cicli carica-scarica che possono portare la batteria all'80% della capacità nominale; inoltre l'accumulatore presenta un degrado progressivo anche se non viene utilizzato, quindi il produttore nel definire la vita media del prodotto valuta anche il periodo passivo di stoccaggio. Il degrado della batteria durante la conservazione è influenzato anche dalla temperatura e dallo stato di carica della batteria; la combinazione di carica completa (100% dello stato di carica) e una temperatura elevata (oltre 50 °C) può causare un forte calo della capacità e la produzione di gas.
La durata del ciclo di vita dell'accumulatore è influenzata da molti fattori, tra cui temperatura, corrente di scarica, corrente di carica e stato di carica (profondità di scarica). In applicazioni reali come smartphone, laptop e auto elettriche, le batterie non vengono mai caricate o scaricate completamente, quindi definire la durata della batteria attraverso cicli di scarica completi può essere fuorviante. Per evitare questa confusione i ricercatori a volte usano la definizione di "scarica cumulativa", definita come la quantità totale di carica (in Ah) erogata dalla batteria durante tutta la sua vita, o cicli equivalenti che rappresentano la somma dei cicli "parziali" come frazioni di un ciclo completo di carica-scarica.
Tipi Le batterie agli ioni di litio (Li-Ion) si distinguono in varie sottocategorie a seconda del catodo o dell'elettrolita utilizzato:
Chimica del catodo: Batteria al litio-ferro-fosfato (LiFePO4): utilizza il litio-ferro-fosfato come materiale catodico Batteria litio-titanato (LTO): hanno il vantaggio di una ricarica rapida Batteria al litio-ossido di cobalto (LiCo2O4): utilizza il litio-ossido di cobalto come materiale catodico Batteria al litio-ossido di manganese (LiMn2O4): utilizza il litio-ossido di manganese come materiale catodico Batteria al litio-zolfo (LiS): per applicazioni ad alta densità di energia
Chimica dell'elettrolita: Batteria agli ioni di litio (Li-Ion): utilizza un elettrolita liquido: un sale di litio in un solvente organico Batteria ai polimeri di litio (Li-Po): utilizza come elettrolita un polimero solido, e non liquido come il precedente
Specifiche e design
Densità specifica di energia: da 150 a 265 W·h/kg (da 540 a 960 kJ/kg) Densità volumetrica di energia: da 250 a 750 W·h/L (da 900 a 2700 J/cm³) Densità specifica di potenza: da 300 a 1500 W/kg (@ 20 secondi e 285 W·h/L)
La reazione chimica tipica della batteria agli ioni di litio è come segue:
Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione nominale di 3,6~3,7 V, che è il valore medio fra la tensione a piena carica (4,2 V) e quella oltre la quale non deve scendere (3,0~3,2 V). La carica si effettua a tensione costante con limitazione di corrente. Questo significa che la carica avviene a corrente costante finché l'elemento raggiunge quasi la tensione di 4,2 V (per sicurezza, di solito è inferiore di alcune decine di millivolt a tale valore), dopodiché continua a tensione costante finché la corrente diventa nulla o quasi (tipicamente la carica viene terminata al 3% della corrente iniziale di carica). Il tempo di ricarica dipende dalla capacità in ampere-ora della batteria e dalla corrente erogata dal caricabatteria, che in ogni caso non deve superare 1/10 della corrente di picco erogabile dalla batteria.