Il nucleo della chimica delle batterie al litio: i quattro principali materiali catodici

Batterie al litio, note anche come batterie agli ioni di litio, rappresentano una pietra miliare nella tecnologia moderna dell'accumulo elettrochimico di energia. Il loro principio di funzionamento principale prevede l'inserimento e l'estrazione reversibile di ioni di litio tra il catodo (come Lesimoossido di cobalto di litio (LCO), fosfato di ferro e litio (LiFePO₄) o materiali ternari (NMC/NCA)) e l'anodo (come la grafite o i compositi silicio-carbonio). Questo meccanismo conferisce loro vantaggi rivoluzionari tra cui densità energetica ultra elevata, lunga durata del ciclo, capacità di carica/scarica rapida e bassi tassi di autoscarica.

Dalle fonti di alimentazione portatili di smartphone e laptop al robusto cuore dei veicoli elettrici, dai sistemi di accumulo di energia su larga scala alla crescente applicazione in veicoli e macchinari industriali, le batterie al litio hanno profondamente rimodellato l'utilizzo dell'energia. Rappresentano la tecnologia fondamentale che guida la rivoluzione dell'elettronica di consumo e la transizione globale verso l'energia verde.

Ossido di litio e cobalto (LCO): il veterano dell'elettronica di consumo

Le batterie al litio con chimica LCO sono le meno recenti, principalmente utilizzate per dispositivi elettronici e Applicazioni mobili, e sono costituiti da un catodo di ossido di cobalto (elettrodo positivo) e un anodo di carbonio di grafite (elettrodo negativo).

Formula chimica: LiCoO₂ (LCO)

Caratteristiche principali: Elevata densità energetica, processo di produzione maturo.

Microstruttura: Il cobalto garantisce stabilità strutturale, ma un elevato contenuto di cobalto comporta costi elevati, scarsa stabilità termica e durata limitata.

Più adatto per: Telefoni cellulari, computer portatili, fotocamere digitali e altri elettronica di consumo.

“Ha segnato l'inizio commerciale delle batterie al litio, ma la sua sicurezza, la sua durata e i suoi limiti di costo le rendono del tutto inadatte alle applicazioni di alimentazione industriale.”

Curva di scarica della chimica LFP del litio

D'altra parte, questo vantaggio può anche trasformarsi in uno svantaggio, in quanto, a causa della curva piatta, la sola lettura delle tensioni renderà più complicato determinare una corretta SOC (stato di carica). 

Per evitare questa limitazione, il BMS il sistema di gestione della batteria dovrà essere progettato in modo intelligente per fornire il corretto stato di carica e svolgere al meglio le funzioni di bilanciamento.

Uno dei tanti vantaggi di questa chimica è la totale assenza di cobalto, materiale che, come abbiamo già accennato, è tossico, uno dei più impattanti per l'ambiente. 

Molti produttori di batterie al litio stanno attualmente cercando di ridurre la percentuale di cobalto nelle loro batterie, quindi la chimica LFP, essendo priva di cobalto, inizia con un grande vantaggio.

Anche se solo pochi anni fa, Batterie LFP sembravano destinati all'oblio, in quanto la loro densità energetica era molto bassa, intorno a 100 Wh/Kg, oggi questa tecnologia 

è letteralmente riemerso dalle ceneri con un aumento molto significativo della densità energetica, raggiungendo 170 Wh/Kg in breve tempo, suscitando un forte interesse da parte del mondo automobilistico. 

Ulteriori incrementi della densità gravimetrica a 220/230 Wh/Kg sono già previsti nei prossimi anni. Proprio per questo molte case automobilistiche hanno deciso di reintrodurre la chimica LFP per l'elettrificazione dei propri veicoli, prima fra tutte Tesla, che attualmente la sta utilizzando nella sua “gamma standard” 

veicoli in quanto garantisce un miglior livello di sicurezza, ad un costo leggermente inferiore rispetto al Chimica NMC utilizzato per veicoli ad alte prestazioni. Come Tesla, So BYD, Volkswagen e molti altri importanti produttori automobilistici ora vedono un grande potenziale nella chimica LFP.

Composizione e caratteristiche delle batterie al litio con chimica NCA:

Nichel – Cobalto – Alluminio (LiNiCoAIO2)

Le batterie con chimica NCA sono utilizzate anche nel settore automobilistico insieme alle batterie NMC. Il loro grado di sicurezza è leggermente inferiore a quello delle NMC, ma allo stesso tempo hanno una densità energetica molto elevata, raggiungendo i 250-300 Wh/Kg. L'NCA La struttura della cella è molto simile a quella dell'NMC 811, con un alto contenuto di nichel e un basso contenuto di cobalto e alluminio. A causa della loro elevata capacità di accumulo di energia, le batterie al litio NCA sono spesso utilizzate in miscele con prodotti chimici NMC per raggiungere un compromesso tra densità energetica, sicurezza e stabilità.

Dalla teoria alla pratica: utilizzo della giusta chimica del litio per ogni applicazione

Abbiamo delineato i 6 principali tipi di chimica a base di litio che sono attualmente più utilizzati nelle varie aree di elettrificazione. Ma non dobbiamo pensare che queste chimiche siano in competizione tra loro, anzi! Sono tutti preziosi e ad alte prestazioni, ma ogni sostanza chimica al litio funziona meglio in diverse aree di utilizzo.

Questo diagramma mostra un confronto tra le varie caratteristiche delle sostanze chimiche in termini di:

● Energia Specifica o Densità Gravimetrica [Wh/Kg]: è il rapporto tra la quantità di energia contenuta (Wh = V x Ah) e il peso della batteria.

● Sicurezza: che è strettamente correlata alla stabilità termica perché la sicurezza intrinseca dipende molto dalla stabilità termica dei componenti

● C-Rate: velocità di carica/scarica, cioè il rapporto tra la corrente di carica o scarica (A) e la capacità nominale della cella (Ah). Questo è un parametro strettamente legato alla capacità della cellula di generare energia.

● Ciclo di vita: numero di volte in cui la cella può essere scaricata e caricata fino al raggiungimento della fine vita, normalmente considerata quando viene raggiunto l'80% della capacità residua.

● Costo