Panoramica della batteria al litio | BSLBATT Energie rinnovabili

BSLBATT Engineered Technologies utilizza i nostri esperti team di ingegneria, progettazione, qualità e produzione in modo che i nostri clienti possano essere certi di soluzioni di batterie tecnicamente avanzate che soddisfano i requisiti unici delle loro applicazioni specifiche. Siamo specializzati nella progettazione di celle e pacchi batteria al litio ricaricabili e non ricaricabili e lavoriamo con una varietà di prodotti chimici per celle al litio per offrire opzioni e soluzioni per applicazioni impegnative in tutto il mondo.

Pacco batteria al litio Tecnologie

Le nostre ampie capacità produttive ci consentono di costruire i pacchi batteria più basilari, fino ai pacchi personalizzati con circuiti, connettori e alloggiamenti specializzati. Dai volumi bassi ad quelli elevati, abbiamo la capacità e l'esperienza nel settore per soddisfare le esigenze specifiche di tutti gli OEM poiché il nostro team di ingegneri esperti è in grado di progettare, sviluppare, testare e produrre soluzioni di batterie personalizzate per le esigenze specifiche della maggior parte delle applicazioni.

BSLBATT offre soluzioni chiavi in ​​mano basate sulle esigenze e specifiche del cliente. Collaboriamo con i produttori di celle leader del settore per fornire soluzioni ottimali e sviluppiamo e integriamo l'elettronica di controllo e monitoraggio più sofisticata nei pacchi batteria.

Come funziona una batteria agli ioni di litio?

Le batterie agli ioni di litio sfruttano il forte potenziale riducente degli ioni di litio per alimentare la reazione redox fondamentale per tutte le tecnologie delle batterie: riduzione al catodo, ossidazione all’anodo. Collegando i terminali positivo e negativo di una batteria attraverso un circuito, si uniscono le due metà della reazione redox, consentendo al dispositivo collegato al circuito di estrarre energia dal movimento degli elettroni.

Sebbene oggi nel settore siano utilizzati molti tipi diversi di prodotti chimici a base di litio, noi utilizzeremo l'ossido di litio-cobalto (LiCoO2), il prodotto chimico che ha consentito alle batterie agli ioni di litio di sostituire le batterie al nichel-cadmio che erano la norma per i consumatori. elettronica fino agli anni ’90 – per dimostrare la chimica di base dietro questa popolare tecnologia.

La reazione completa per un catodo LiCoO2 e un anodo di grafite è la seguente:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Dove la reazione diretta rappresenta la carica e la reazione inversa rappresenta la scarica. Questo può essere suddiviso nelle seguenti semireazioni:

All'elettrodo positivo, durante la scarica avviene la riduzione al catodo (vedi reazione inversa).

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

All'elettrodo negativo, durante la scarica si verifica l'ossidazione all'anodo (vedere reazione inversa).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Durante la scarica, gli ioni di litio (Li+) si spostano dall'elettrodo negativo (grafite) attraverso l'elettrolita (sali di litio sospesi in una soluzione) e il separatore fino all'elettrodo positivo (LiCoO2). Contemporaneamente gli elettroni si spostano dall'anodo (grafite) al catodo (LiCoO2) collegato tramite un circuito esterno. Se viene applicata una fonte di alimentazione esterna, la reazione viene invertita insieme ai ruoli dei rispettivi elettrodi, caricando la cella.

Cosa c'è in una batteria agli ioni di litio

La tipica cella cilindrica 18650, che è il fattore di forma comune utilizzato dall'industria per applicazioni commerciali dai laptop ai veicoli elettrici, ha un OCV (tensione a circuito aperto) di 3,7 volt. A seconda del produttore può fornire circa 20 A con una capacità di 3000 mAh o più. Il pacco batteria sarà composto da più celle e generalmente includerà un microchip protettivo per evitare il sovraccarico e lo scaricamento al di sotto della capacità minima, che possono portare a surriscaldamento, incendi ed esplosioni. Diamo uno sguardo più da vicino all'interno di una cellula.

Elettrodo/catodo positivo

La chiave per progettare un elettrodo positivo è scegliere un materiale che abbia un potenziale elettrico maggiore di 2,25 V rispetto ai metalli di litio puri. I materiali catodici negli ioni di litio variano notevolmente, ma generalmente hanno ossidi di metalli di transizione del litio stratificati, come il design del catodo LiCoO2 che abbiamo esplorato in precedenza. Altri materiali includono spinelli (cioè LiMn2O4) e olivine (cioè LiFePO4).

Elettrodo/anodo negativo

In una batteria al litio ideale, si utilizzerebbe litio metallico puro come anodo, perché fornisce la combinazione ottimale di basso peso molecolare ed elevata capacità specifica possibile per una batteria. Ci sono due problemi principali che impediscono l’utilizzo del litio come anodo nelle applicazioni commerciali: sicurezza e reversibilità. Il litio è altamente reattivo e soggetto a guasti catastrofici di tipo pirotecnico. Inoltre durante la carica, il litio non ritorna al suo stato metallico uniforme originale, invece di adottare una morfologia aghiforme nota come dendrite. La formazione di dendriti può portare alla perforazione dei separatori che possono portare a cortocircuiti.

La soluzione ideata dai ricercatori per sfruttare i vantaggi del litio metallico senza tutti i contro è stata l’intercalazione del litio, il processo di stratificazione degli ioni di litio all’interno della grafite di carbonio o di qualche altro materiale, per consentire il facile movimento degli ioni di litio da un elettrodo all’altro. Altri meccanismi prevedono l’uso di materiali anodici con litio che rendono più possibili reazioni reversibili. I materiali tipici dell'anodo includono grafite, leghe a base di silicio, stagno e titanio.

Separatore

Il ruolo del separatore è quello di fornire uno strato di isolamento elettrico tra gli elettrodi negativo e positivo, consentendo comunque agli ioni di attraversarlo durante la carica e la scarica. Deve inoltre essere chimicamente resistente alla degradazione da parte dell'elettrolita e di altre specie presenti nella cella e meccanicamente sufficientemente resistente da resistere all'usura. I comuni separatori agli ioni di litio sono generalmente di natura altamente porosa e sono costituiti da fogli di polietilene (PE) o polipropilene (PP).

Elettrolita

Il ruolo di un elettrolita in una cella agli ioni di litio è quello di fornire un mezzo attraverso il quale gli ioni di litio possono fluire liberamente tra il catodo e l'anodo durante i cicli di carica e scarica. L'idea è quella di scegliere un mezzo che sia sia un buon conduttore Li+ che un isolante elettronico. L'elettrolita deve essere termicamente stabile e chimicamente compatibile con gli altri componenti della cella. Generalmente, i sali di litio come LiClO4, LiBF4 o LiPF6 sospesi in un solvente organico come dietil carbonato, etilene carbonato o dimetil carbonato fungono da elettrolita per i modelli convenzionali agli ioni di litio.

Interfase elettrolitica solida (SEI)

Un concetto di progettazione importante da comprendere sulle celle agli ioni di litio è l'interfase dell'elettrolita solido (SEI), una pellicola di passivazione che si accumula sull'interfaccia tra l'elettrodo e l'elettrolita mentre gli ioni Li+ reagiscono con i prodotti di degradazione dell'elettrolita. La pellicola si forma sull'elettrodo negativo durante la carica iniziale della cella. Il SEI protegge l'elettrolita da un'ulteriore decomposizione durante le successive cariche della cella. La perdita di questo strato passivante può avere un impatto negativo sulla durata del ciclo, sulle prestazioni elettriche, sulla capacità e sulla durata complessiva di una cella. D’altro canto, i produttori hanno scoperto che possono migliorare le prestazioni della batteria ottimizzando il SEI.

Scopri la famiglia di batterie agli ioni di litio

Il fascino del litio come materiale elettrodico ideale per le applicazioni delle batterie ha portato alla nascita di molti tipi di batterie agli ioni di litio. Ecco cinque delle batterie più comuni disponibili in commercio sul mercato.

Ossido di litio cobalto

Abbiamo già trattato in modo approfondito le batterie LiCoO2 in questo articolo perché rappresenta la chimica più popolare per i dispositivi elettronici portatili come cellulari, laptop e fotocamere elettroniche. LiCoO2 deve il suo successo alla sua elevata energia specifica. Una durata di vita breve, una scarsa stabilità termica e il prezzo del cobalto inducono i produttori a passare a progetti di catodi misti.

Ossido di litio manganese

Le batterie al litio ossido di manganese (LiMn2O4) utilizzano catodi a base di MnO2. Rispetto alle batterie LiCoO2 standard, le batterie LiMn2O4 sono meno tossiche, costano meno e sono più sicure da usare, ma con una capacità ridotta. Sebbene in passato siano stati esplorati progetti ricaricabili, l'industria odierna utilizza generalmente questa chimica per le celle primarie (a ciclo singolo) che non sono ricaricabili e destinate ad essere smaltite dopo l'uso. Durevoli, elevata stabilità termica e lunga durata li rendono ideali per utensili elettrici o dispositivi medici.

Ossido di litio nichel manganese cobalto

A volte il totale è maggiore della somma delle sue parti e le batterie al litio nichel manganese cobalto ossido (note anche come batterie NCM) vantano prestazioni elettriche maggiori rispetto a LiCoO2. NCM ottiene la sua forza nel bilanciare i pro e i contro dei suoi singoli materiali catodici. Uno dei sistemi agli ioni di litio di maggior successo sul mercato, l'NCM è ampiamente utilizzato in gruppi propulsori come utensili elettrici ed e-bike.

Litio Ferro Fosfato

Le batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4) raggiungono una lunga durata e un'elevata corrente nominale con una buona stabilità termica con l'aiuto del materiale catodico fosfato nanostrutturato. Nonostante questi miglioramenti, non ha la stessa densità energetica delle tecnologie miscelate al cobalto e ha il tasso di autoscarica più alto tra le altre batterie in questo elenco. Le batterie LiFePO4 sono popolari come alternativa al piombo-acido come batteria di avviamento per auto.

Titanato di litio

La sostituzione dell'anodo di grafite con nanocristalli di titanato di litio aumenta notevolmente la superficie dell'anodo fino a circa 100 m2 per grammo. L'anodo nanostrutturato aumenta il numero di elettroni che possono fluire attraverso il circuito, conferendo alle celle al titanato di litio la capacità di caricarsi e scaricarsi in modo sicuro a velocità superiori a 10°C (dieci volte la sua capacità nominale). Il compromesso per avere il ciclo di carica e scarica più veloce delle batterie agli ioni di litio è una tensione relativamente inferiore di 2,4 V per cella, le celle al titanato di litio si trovano all'estremità inferiore dello spettro di densità energetica delle batterie al litio ma comunque superiori rispetto alle sostanze chimiche alternative come il nichel- cadmio. Nonostante questo svantaggio, le prestazioni elettriche complessive, l’elevata affidabilità, la stabilità termica e un ciclo di vita estremamente lungo fanno sì che la batteria sia ancora utilizzata nei veicoli elettrici.

Il futuro delle batterie agli ioni di litio

C’è una grande spinta da parte di aziende e governi di tutto il mondo per proseguire la ricerca e lo sviluppo sulle tecnologie agli ioni di litio e altre batterie per soddisfare la crescente domanda di energia pulita e ridurre le emissioni di carbonio. Le fonti energetiche intrinsecamente intermittenti come il solare e l’eolico potrebbero trarre grandi benefici dall’elevata densità energetica e dal lungo ciclo di vita degli ioni di litio, che hanno già aiutato la tecnologia a conquistare il mercato dei veicoli elettrici.

Per soddisfare questa crescente domanda, i ricercatori hanno già iniziato a ampliare i confini degli ioni di litio esistenti in modi nuovi ed entusiasmanti. Le celle ai polimeri di litio (Li-Po) sostituiscono i pericolosi elettroliti liquidi a base di sale di litio con gel polimerici più sicuri e design di celle semi-umide, per prestazioni elettriche comparabili con maggiore sicurezza e peso più leggero. Il litio allo stato solido è la tecnologia più recente sul mercato e promette miglioramenti in termini di densità energetica, sicurezza, durata del ciclo e longevità complessiva con la stabilità di un elettrolita solido. È difficile prevedere quale tecnologia vincerà la corsa per la soluzione definitiva per lo stoccaggio dell’energia, ma gli ioni di litio continueranno sicuramente a svolgere un ruolo importante nell’economia energetica negli anni a venire.

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