Batteria al litio ricaricabile: come funziona e costo

Ognuno di noi ha almeno un prodotto con una batteria al litio ricaricabile. Questo dice molto della diffusione e soprattutto dell’importanza di questa tecnologia che, sotto forma di batterie agli ioni di litio è il cuore di molti prodotti usati nella vita quotidiana, dall’elettronica ai piccoli e grandi elettrodomestici, dai giocattoli ai veicoli elettrici fino ai sistemi di accumulo di energia elettrica. L’invenzione delle batterie al litio ha un’importanza notevole, tanto che, tra tutte le tecnologie nella storia umana, è di sicuro tra quelle col maggior impatto.

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Cos’è la batteria al litio

Innanzitutto, esistono due tipi di batterie al litio: le batterie al litio metallico monouso, non ricaricabili, e le batterie al litio ricaricabili. In particolare, quando si parla di batteria al litio ricaricabile ci si riferisce a una batteria agli ioni di litio o ai polimeri di litio, di cui ci occuperemo più avanti. Spesso, poi, si citano batterie e celle. La cella è un’unità singola, una batteria è un insieme di celle collegate tra loro. La cella elettrochimica (conosciuta anche come pila) è un dispositivo che converte energia elettrica in energia chimica e viceversa. La cella è composta da: due elettrodi (costituiti da anodo, quale collettore di corrente negativo e catodo, collettore positivo), separatore, elettrolita.

Dove vengono usate le batterie al litio

Le batterie agli ioni di litio sono oggi impiegate nella maggior parte dei dispositivi elettronici di consumo portatili, come cellulari e laptop, per via della loro elevata energia per unità di massa e volume rispetto ad altri sistemi di accumulo di energia elettrica. La maggior parte dei veicoli elettrici e ibridi utilizza anch’esse batterie agli ioni di litio, sebbene la chimica esatta spesso vari da quella delle batterie per l’elettronica di consumo.

Nel panorama in continua evoluzione della tecnologia di accumulo di energia, la batteria al litio è emersa come apripista, offrendo soluzioni di alimentazione efficienti e compatte per un’ampia gamma di applicazioni. Tra queste, le batterie agli ioni di litio (Li-ion) e le batterie ai polimeri di litio (LiPo) si sono affermate come scelte di spicco per l’accumulo di energia e la distribuzione di potenza per vari settori.

Gli accumulatori litio-polimero costituiscono uno sviluppo tecnologico dell’accumulatore litio-ione. A differenza delle Li-ion, che sono contenute in minuscoli contenitori rigidi in metallo cilindrici o prismatici, le celle polimeriche hanno una struttura a fogli flessibili e pieghevoli. La particolare caratteristica delle Lipo, che le distingue dalle batterie Li-ion è che l’elettrolita non è contenuto in un solvente organico liquido, ma si trova in un composto di polimero solido. Uno dei vantaggi di questa caratteristica è che non necessitano di nessun contenitore in metallo: la batteria può essere più leggera e sagomata per occupare lo spazio che le è riservato nell’apparecchio da alimentare.

Le batterie ai polimeri di litio sono utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni, grazie alla loro elevata densità energetica, leggerezza e dimensioni compatte. Alcune applicazioni comuni delle batterie LiPo comprendono: elettronica di consumo (smartphone, tablet, laptop, fotocamere digitali ecc.), veicoli elettrici, droni e veicoli telecomandati, dispositivi medici. Inoltre, le batterie ai polimeri di litio sono utilizzate in applicazioni aerospaziali e di difesa come satelliti, veicoli spaziali e missili, grazie alla loro leggerezza e all’elevata densità energetica, come pure nei power bank e nei sistemi di alimentazione di backup.

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Batterie al litio: svantaggi e vantaggi

Per comprendere i pregi delle batterie al litio è bene partire dalla loro storia. Il lavoro pionieristico sulla batteria al litio iniziò nel 1913 con il chimico statunitense Gilbert Newton Lewis, ma fu solo all’inizio degli anni Settanta del XX secolo che le prime batterie al litio non ricaricabili divennero disponibili in commercio. I tentativi di sviluppare batterie al litio ricaricabili seguirono nei decenni successivi, anche grazie al contributo e alle scoperte di John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, che valse loro il Premio Nobel per la Chimica 2019.

Si è arrivati così, col lavoro di ricerca e sviluppo, a batterie agli ioni di litio che presentano molti vantaggi. Le batterie al litio vantano un elevato rapporto peso/potenza, elevata efficienza energetica, lunga durata e bassa autoscarica. Le loro prestazioni elevate, il basso costo e l’ampia disponibilità rendono le batterie agli ioni di litio la tecnologia di accumulo di energia preminente per molte applicazioni, dai dispositivi elettronici ai veicoli elettrici, ai grandi sistemi di accumulo di energia stazionari.

Sviluppi e innovazioni continuano a essere apportati nei materiali degli anodi e dei catodi degli ioni di litio, nella produzione, nella progettazione delle celle e nella progettazione dei pacchi e gli investimenti nel settore degli ioni di litio continuano a un ritmo rapido.

La crescita della batteria al litio è inoltre legata alla produzione energetica da fonti energetiche rinnovabili, soprattutto da fotovoltaico ed eolico, notoriamente intermittenti. Nel 2030, l’Unione Europea potrebbe evitare costi del gas pari a 9 miliardi di euro, accumulando l’energia prodotta in eccesso da eolico e fotovoltaico, segnala Ember. La possibilità di accumulare energia rende il loro impiego prezioso anche per la stabilità delle reti elettriche e la loro flessibilità.

Ora parliamo di batterie al litio e svantaggi. In realtà non sono molti. A volte è stata messa in discussione la sicurezza di questa tecnologia, a causa del rischio di infiammabilità dell’elettrolita liquido. Sono rischi assai limitati, e le probabilità di incendio delle batterie, che possono verificarsi a causa di danni fisici, difetti di fabbricazione e sovraccarico, sono molto ridotte grazie al miglioramento realizzativo sensibile nel corso degli anni.

Anche nel caso dei veicoli elettrici, la probabilità di incendio è bassa, decisamente inferiore alle auto a benzina. I dati del National Transportation Safety Board statunitense mostrano che si verificano circa 25 incendi ogni 100mila veicoli elettrici venduti. In confronto, si verificano circa 1530 incendi ogni 100mila veicoli a benzina venduti.

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Come funziona una batteria al litio ricaricabile

La batteria al litio ricaricabile funziona grazie al movimento degli ioni di litio tra i due elettrodi. Questo processo avviene in un elettrolita, una soluzione liquida che facilita il passaggio degli ioni senza condurre elettricità direttamente.

Durante la carica, l’energia elettrica fornita da un caricatore forza gli ioni di litio a muoversi dal catodo (tipicamente composto da ossido di litio e cobalto) all’anodo. Gli elettroni non possono attraversare l’elettrolita e quindi si muovono attraverso un circuito esterno, caricando la batteria. Durante la scarica, quando la batteria viene usata, il processo si inverte: gli ioni di litio migrano dall’anodo al catodo attraverso l’elettrolita, mentre gli elettroni fluiscono nel circuito esterno, alimentando il dispositivo.

Quanto costa una batteria al litio?

Tra i pregi abbiamo menzionato anche i costi relativamente bassi delle batterie agli ioni di litio. Alla espansione corrisponde anche una riduzione dei costi. Ma quanto costa una batteria al litio? Come registra Statista, il prezzo del pacco batteria agli ioni di litio è sceso a 115 dollari per kilowattora nel 2024 rispetto agli oltre 144 dollari/kWh del 2023. Questo è dovuto al fatto che negli ultimi anni, la produzione su larga scala e gli investimenti di capitale nel processo di produzione delle batterie hanno reso i pacchi batteria agli ioni di litio più economici ed efficienti.

Andrea Ballocchi