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Come funziona una batteria al litio

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Ti sei imbattuto più volte, guardando alcune delle batterie in uso sui tuoi dispositivi, nella sigla Li-ion: dopo una rapida ricerca sul Web, hai scoperto che questa sigla è riferita alle batterie agli ioni di litio. Devi sapere, a tal proposito, che l’introduzione della suddetta tecnologia ha rappresentato un traguardo importantissimo nel mondo dell’elettronica: è grazie alle batterie Li-ion che, ad oggi, è possibile avere dispositivi dalle dimensioni ridotte, con buona autonomia e con un discreto margine di sicurezza.

Se ti trovi qui, però, immagino che tu voglia qualche delucidazione in più su come funziona una batteria al litio e su quelli che sono i vantaggi e gli svantaggi di una simile tecnologia. Come dici? Ho indovinato? Allora questo è proprio il posto giusto per te: nelle battute successive di questo approfondimento, infatti, avrò cura di spiegarti, in modo semplice, quelle che sono le dinamiche alla base del funzionamento delle batterie Li-ion, dandoti una panoramica esaustiva riguardo i loro processi di carica e scarica.

Dunque, senza attendere oltre, mettiti bello comodo e leggi attentamente tutto quanto ho da spiegarti sull’argomento: ti garantisco che, al termine della lettura di questa guida, non soltanto avrai le idee ben chiare sull’argomento, ma sarai anche in grado di spiegare tutto ai tuoi amici interessati. Detto ciò, non mi resta altro da fare, se non augurarti buona lettura!

Indice

Cos’è una batteria al litio

Come funziona una batteria al litio

Di base, una batteria al litio (o meglio, una batteria agli ioni di litio, o Li-ion) è composta da una serie di componenti chimiche racchiuse in un involucro, connesse con l’esterno attraverso due estremità metalliche, l’una positiva e l’altra negativa.

Quando queste due estremità vengono messe in contatto tra loro (tramite un materiale conduttore), viene scatenata una reazione che porta le particelle interne della batteria a unirsi e separarsi in maniera continua, in modo da produrre altri elementi chimici, denominati ioni.

In particolare, gli ioni si occupano di produrre l’energia atta ad alimentare la batteria, mentre gli elettroni si occupano di generare l’elettricità necessaria per far funzionare il dispositivo alla quale essa è collegata (smartphone, tablet, notebook e così via).

Le batterie al litio, grazie alle particolari caratteristiche strutturali e chimiche, ad oggi trovano largo impiego sia nell’ambito dell’elettronica (smartphone, tablet, notebook, gruppi di continuità, indossabili e così via) che in settori ben differenti, come quello delle automobili ibride ed elettriche.

Obiettivo di questa mia guida sarà spiegarti, in termini semplici, il criterio alla base del funzionamento delle batterie ricaricabili agli ioni di litio e le motivazioni connesse alle più comuni problematiche riscontrabili sulle stesse.

Breve storia delle batterie al litio

Come funziona una batteria al litio

La storia delle batterie al litio inizia nel lontano 1912, quando il primo accumulatore di questo tipo fu inventato da Gilbert N. Newis: si trattava di celle non ricaricabili, in grado però di fornire voltaggi ben più elevati rispetto alle altre pile in uso all’epoca, grazie alla presenza del litio.

Tale invenzione, però, non viene ritenuta particolarmente utile fino al 1970, anno in cui il chimico M. S. Whittingham riuscì a mettere a punto un prototipo di batteria ricaricabile sfruttando, appunto, il litio.

Tuttavia, anche questa invenzione non trovò il successo sperato: giacché il litio è un metallo leggero ma estremamente instabile, le batterie progettate al tempo recavano con sé un rischio elevato di esplosione; complici dunque i pericoli associati alla manipolazione del litio in questo settore, e il crollo del prezzo del petrolio (elemento di base per la totalità delle batterie ricaricabili in uso all’epoca), lo sviluppo delle batterie ricaricabili al litio fu accantonato.

Questo fino al 1991, anno in cui J.B. Goodenough realizzò la prima batteria Li-Ion per Sony, cambiando il materiale di costruzione del catodo e aumentandone la potenza; il progetto fu ulteriormente perfezionato, nello stesso anno, da Akira Yoshino, che riuscì a eliminare completamente il litio in forma pura dalle batterie ricaricabili, sostituendolo con gli ioni di litio, cioè con delle particelle in grado di “staccarsi” dall’atomo di litio a seguito di una reazione chimica.

Quest’ultimo passaggio è stato di fondamentale importanza per la messa in sicurezza di quelle che, ad oggi, sono le batterie ricaricabili più usate al mondo: a partire da quell’anno, grazie a continui studi sulla struttura chimica dei componenti della batteria e alla progressiva introduzione di meccanismi di sicurezza, i rischi connessi alle batterie agli ioni di litio sono stati estremamente ridotti, a fronte di un aumento di potenza, capacità d’immagazzinamento dell’energia e durata nel tempo.

Nota: Whittingham, Goodenough e Yoshino sono stati insigniti, nel 2019, del Premio Nobel per la Chimica, proprio per lo sviluppo delle batterie Li-ion.

Come funziona una batteria al litio

Come funziona una batteria al litio

Una batteria agli ioni di litio è composta da uno o più parti elettroniche in grado di generare energia, denominate celle; ciascuna cella si compone principalmente di tre elementi: un elettrodo positivo, denominato catodo; un elettrodo negativo, denominato anodo; e una sostanza chimica, denominata elettrolita.

Le batterie di questo tipo sono generalmente ricaricabili, quindi in grado sia di accumulare energia (in fase di carica) che di rilasciarla (in fase di scarica): questo meccanismo è reso possibile dal flusso di ioni ed elettroni, ossia di piccole particelle che si “staccano” dagli atomi, le quali viaggiano dall’anodo al catodo — e viceversa — attraverso l’elettrolita.

Lascia che ti spieghi meglio la dinamica di questo meccanismo. Quando la batteria raccoglie energia e si trova, cioè, in fase di carica, il catodo “cede” alcuni dei suoi ioni di litio, che viaggiano attraverso il materiale elettrolita, seguendo il circuito interno, e vengono accumulati all’interno dell’anodo, nel quale scorrono continuamente, generando energia e caricandosi negativamente. Quando gli ioni di litio provenienti dal catodo smettono di circolare attraverso materiale elettrolita, il processo si interrompe e la batteria è carica.

Quando, invece, la batteria cede energia e si trova in fase di scarica, avviene il processo inverso: gli ioni, seguendo il circuito esterno di ciascuna cella nel senso opposto, circolano dall’anodo al catodo, fornendo energia alla batteria (e al dispositivo connesso); quando essi giungono a destinazione, si combinano agli elettroni presenti nel catodo, depositandosi lì. Quando l’anodo non ha più ioni di litio da cedere, il processo si interrompe: la batteria è completamente scarica.

È proprio la distanza percorsa dagli ioni di litio a determinare il tempo necessario a caricare e scaricare una batteria: giacché la prima delle due fasi avviene su un circuito interno e l’altra su un “percorso” esterno, va da sé che la fase di ricarica della batteria sia ben più rapida rispetto a quella di scarica.

Tuttavia, come certamente saprai, l’autonomia di una batteria agli ioni di litio è estremamente variabile, in base al tipo di dispositivo che essa alimenta e alle attività che vengono svolte!

Ciascuna cella, inoltre, implementa dei meccanismi di sicurezza mirati alla riduzione dei problemi dovuti a surriscaldamento: se la cella e/o la batteria raggiunge una temperatura troppo elevata durante la fase di carica, il flusso di energia in ingresso viene immediatamente interrotto e, di conseguenza, essa non può più ricevere carica.

Sebbene le batterie agli ioni di litio siano dominate dallo stesso principio di funzionamento, esse non sono tutte uguali: ne esistono infatti di diverse tipologie e caratteristiche, variabili principalmente per i materiali con cui anodo, catodo ed elettrolita sono composti.

Per esempio, la maggior parte delle batterie presenti su smartphone, tablet, notebook e powerbank è di tipo Litio-Ossido di cobalto/LCO (o LiCoO2): essa è formata da un catodo in ossido di cobalto e un anodo di grafite; le batterie delle auto elettriche, invece, sfruttano la combinazione chimica litio, nichel, manganese e ossido di cobalto/LiNMC (LiNiMnCoO2): il catodo, in questo caso, è realizzato in nickel, manganese e cobalto; il catodo presente nelle batterie in uso per i moderni gruppi di continuità, invece, sfrutta un catodo all’ossido di litio e manganese, generalmente con aggiunta di cobalto.

Pregi e difetti delle batterie al litio

Come funziona una batteria al litio

L’introduzione delle batterie agli ioni di litio ha apportato diversi vantaggi al mondo dell’elettronica. Tanto per cominciare, a differenza delle batterie di tipo nickel-cadmio (o NiCd, pronunciato “nicad”), le batterie Li-Ion non soffrono dell’effetto memoria: se non ne avessi mai sentito parlare, si tratta di un fenomeno che “fa credere” a una batteria di essere meno capiente rispetto alla sua condizione iniziale.

L’effetto memoria è estremamente frequente nelle batterie NiCd e si “attiva” quando, per qualche motivo, la batteria viene ricaricata quando al suo interno è ancora presente energia residua; per riportare le cose alla normalità, bisogna scaricare completamente la batteria e ricaricarla subito dopo.

Altro grosso vantaggio delle batterie agli ioni di litio è quello di essere relativamente leggere rispetto alla quantità di energia che sono in grado di immagazzinare; ancora, per costruire batterie di questo tipo non è previsto l’uso del cadmio, materiale estremamente tossico e tutt’oggi utilizzato, seppur in misura nettamente minore rispetto al decennio scorso, per la realizzazione di batterie ricaricabili.

Non tutto, però, “è rose e fiori”: sebbene, con il tempo, siano stati implementati meccanismi di sicurezza in grado di minimizzare l’eventualità di surriscaldamenti e di conseguenti incendi, bisogna sempre fare attenzione al calore, in quanto le batterie al litio ne subiscono molto l’effetto: la batteria dovrebbe essere tenuta sempre a temperatura ambiente e le celle non dovrebbero essere ricaricate quando il dispositivo è già caldo, in quanto si potrebbero riscontrare cali di prestazioni dovuti alla difficoltà di “trattenere” energia.

Inoltre, le batterie dovrebbero essere caricate a un voltaggio appropriato: l’uso di caricabatterie troppo “potenti” potrebbe diminuire in modo sensibile la vita e l’efficienza di ciascuna cella, oltre che provocare pericolosi accumuli di gas (naturalmente rilasciati durante le fasi di carica/scarica), i quali potrebbero provocare improvvise e pericolose esplosioni.

Altro aspetto al quale fare attenzione, soprattutto per quanto riguarda i device elettronici quali smartphone, tablet e notebook, è il livello di carica minimo. Lasciare che una batteria agli ioni di litio raggiunga lo 0% di carica può incidere negativamente sulla vita della stessa: se il transito degli ioni dal catodo all’anodo si interrompe del tutto, le particelle di litio potrebbero danneggiare irrimediabilmente quest’ultimo, andando a diminuire le prestazioni della batteria. Oltretutto, il dispositivo potrebbe avere qualche difficoltà o impiegare più tempo per accendersi nuovamente, poiché il transito degli ioni deve essere riavviato “da zero”.

Per questo motivo, è buona norma evitare di scaricare completamente un dispositivo elettronico alimentato da batteria Li-ion, prima di ricaricarlo; per lo stesso motivo, qualora prevedessi di non usare un device elettronico per lungo tempo, abbi cura di riporlo con la batteria carica almeno al 50%: le piccole e inevitabili perdite di carica dovute all’inattività, in questo modo, difficilmente provocheranno un danneggiamento delle celle.

Viste le sue caratteristiche, va detto che una batteria agli ioni di litio una durata nel tempo limitata: i produttori, generalmente, definiscono questo parametro in termini di cicli di carica, superati i quali le celle della batteria potrebbero non riuscire ad accumulare più energia in modo corretto, a causa dell’usura degli anodi o del materiale chimico presente all’interno. Non preoccuparti, però: una batteria ben gestita — l’ideale sarebbe mantenere costantemente un range di carica 30-80% del proprio device — può rimanere “in buona salute” anche per più di cinque anni (nonostante un ovvio calo rispetto alla capacità originaria, ma non così drastico da comprometterne l’uso)!

Per approfondimenti più “pratici”, ti invito a leggere i miei tutorial su come caricare la batteria dello smartphone e come aumentare la durata della batteria di un notebook.

Salvatore Aranzulla

Autore

Salvatore Aranzulla

Salvatore Aranzulla è il blogger e divulgatore informatico più letto in Italia. Noto per aver scoperto delle vulnerabilità nei siti di Google e Microsoft. Collabora con riviste di informatica e cura la rubrica tecnologica del quotidiano Il Messaggero. È il fondatore di Aranzulla.it, uno dei trenta siti più visitati d'Italia, nel quale risponde con semplicità a migliaia di dubbi di tipo informatico. Ha pubblicato per Mondadori e Mondadori Informatica.