Quanti di voi stanno leggendo questo articolo su un laptop o stanno pensando di dover chiamare un collega, la moglie o magari un figlio con il proprio smartphone?
Questo è possibile solo grazie allo sviluppo delle batterie al litio, sempre più diffuse grazie alla loro capacità di immagazzinare grosse quantità di energia (circa 3 volte in più rispetto alle classiche batterie piombo-acido) in un volume ridotto. A pensarci bene, è proprio questa loro capacità ad aver fatto la fortuna della tecnologia moderna, rendendola portatile e disponibile in ogni momento per aiutarci nella vita di tutti i giorni.

L’uso delle batterie al litio ha un impiego sempre più ampio e variegato. Ad oggi, ad esempio, uno degli usi più in voga è quello nel campo automotive, che sfrutta le batterie in quanto capaci di fornire grosse quantità di energia mantenendo un volume ed un peso ridotti.
Oltre alle applicazioni “mobili”, esse stanno subendo un notevole sviluppo anche in applicazioni “fisse” in cui vengono utilizzate per l'accumulo di energia da usare poi nei momenti di massima necessità.
L’aspetto fondamentale che spinge verso questo sviluppo è la volontà di ridurre l’impatto economico della sostituzione delle batterie in applicazioni “mobili”. Quando si va incontro ad una eccessiva riduzione dell’efficienza (Riduzione dell’autonomia dell’applicazione), infatti, le batterie possono essere sostituite con delle nuove e riutilizzate in applicazioni fisse, dove il volume e il peso passano in secondo piano rispetto al costo (è possibile usare più celle usate per raggiungere la stessa capacità di una cella nuova).
Un possibile campo di impiego è quello delle energie rinnovabili. Consideriamo, ad esempio, una turbina eolica: essa produce energia solo quando è mossa dal vento, ma non è detto che in quel momento la linea elettrica richieda effettivamente tale energia; quest’ultima di conseguenza può essere immagazzinata in una batteria e riutilizzata in momenti di effettiva necessità.

Concetti fondamentali
Descritto brevemente il push tecnologico che rende questa tecnologia interessante, entriamo ora più nel dettaglio.
Innanzitutto è bene ricordare alcuni concetti generali delle batterie e in particolare la differenza tra batteria e cella, termini che nell’uso quotidiano sono spesso impiegati indistintamente per riferirsi ad accumulatori elettrochimici.
Per cella elettrochimica si intende un dispositivo a due terminali capace di trasformare energia chimica in energia elettrica mediante reazioni chimiche di ossidoriduzione, che avvengono sugli elementi interni detti elettroliti.
Per batteria, invece, si intende un dispositivo formato da una o più celle connesse tra di loro in serie (per aumentare tensione di batteria), in parallelo (per aumentare corrente di batteria) o in collegamenti misti.
Inoltre introduciamo i parametri principali per la caratterizzazione delle celle:
• Tensione nominale (Vn): è la tensione che si misura su una cella mediamente carica quando non vi scorre corrente.
• Capacità nominale (Cn): indica la carica che può essere immagazzinata nella cella espressa in Ah (corrente che scarica la cella in un ora).
• Massima corrente di carica/scarica: è la massima corrente che può attraversare la batteria in fase di carica o scarica. In genere essa è diversa se impulsiva o continuativa e solitamente viene espressa normalizzata rispetto alla capacità nominale (essa non è una unità di misura formale, ma è comunque universalmente usata).
• Autoscarica: l’energia che può essere estratta dalla cella decresce nel tempo anche se nessuna corrente scorre tra i terminali della stessa. Ciò è dovuto a reazioni chimiche con costanti temporali generalmente molto lente che modificano gli elettroliti della cella (di conseguenza variano anche alcune sue caratteristiche come Cn).
• Range di Temperatura: si tratta di un parametro importante in quanto influenza direttamente l’energia estraibile dalla cella (influenzando le reazioni chimiche) e soprattutto la fuoriuscita da tale range diminuisce la massima carica immagazzinabile.
• N° cicli di carica: descrive il numero di cicli di carica e scarica (completa o parziale) della batteria per raggiungere un valore di SoH (definito in seguito) noto (esempio, nel campo automotive è accettato come minimo di SoH 80%-70%).

I parametri che caratterizzano lo stato della batteria invece sono:

• Stato di carica (SoC): viene indicato come percentuale della carica contenuta dalla batteria rispetto alla carica nominale (somma delle singole cariche nominali).
• Stato di salute (SoH): indica la capacità effettiva della cella rispetto alla Cn. Varia nella vita ed è fortemente dipendente dalle condizioni operative della batteria, come la temperatura.
• Temperatura- N° cicli di carica: come detto essi sono importanti perché modificano i parametri della cella.
• Età: la capacità effettiva della batteria varia con il tempo in genere. Inizialmente aumenta (“allenamento”) per poi ridursi (“invecchiamento”) con il passare del tempo.
Non tutti i paramenti precedenti sono ottenibili semplicemente da misure dirette sulla batteria, il che complica ulteriormente la gestione delle stesse.

Batteria al litio, ma di che tipo?

Definiti tali parametri passiamo ora a descrivere in particolare la tecnologia basata sul litio.
In genere si parla di batterie al litio indistintamente dagli elettroliti e dal materiale dei catodi utilizzati nella cella elettrochimica. In realtà essi modificano le caratteristiche della cella ed è quindi necessario considerare le varie tecnologie separatamente.
Facendo un po’ di ordine, le tecnologie più usate sono:
Li-Ion (ioni di litio), che introducono il problema sul nome sopra accennato. In realtà, infatti, in tutte le celle basate sul litio le reazioni chimiche avvengono su tale ione. Il nome è dovuto principalmente al fatto che esse sono le prime ed essere entrate sul mercato e quindi inizialmente non c’era il rischio di fare confusione. Esse massimizzano la densità di energia rispetto al peso e al volume. Di contro, però, hanno range operativi di tensioni e di temperatura molto limitati rispetto alle tecnologie più vecchie come la piombo-acido. Inoltre, la fuoriuscita da tali range porta conseguenze irreversibili molto gravose (notevole riduzione della capacità) o addirittura disastrose (fino all’esplosione). Queste loro proprietà le rendono particolarmente adatte ad essere usate in applicazioni a bassa tensione come gli smartphones, in cui la batteria è formata da una sola cella e quindi con una gestione relativamente semplice si sfruttano i vantaggi della densità di energia (aumento durata della batteria, peso, dimensioni) in modo relativamente sicuro (vedi le varie esplosioni delle batterie degli smartphone).
La loro prima evoluzione sono state le Li-Poly (che, a loro volta, si differenziano in più tipologie). In realtà si tratta di una classe, hanno elettroliti più complessi con una molecola formata da più atomi, per cui si ha una riduzione della densità di energia (molecole più pesanti e di dimensioni maggiori) allo stesso tempo, però, si ha un aumento dei range operativi, con conseguente aumento dell’affidabilità delle celle.
L’ultima evoluzione importante è rappresentata dalle LiFePO4, che hanno molecole molto pesanti a causa dell’introduzione dell’atomo di ferro. Di conseguenza, la densità è ulteriormente ridotta, vengono aumentati ancora i range operativi e, inoltre, si ha una riduzione del costo grazie all’economicità dei singoli elementi utilizzati (Fe,P,O).
Risulta chiaro, allora, che le ultime due tecnologie sono particolarmente adatte ad applicazioni ad alta potenza e con condizioni ambientali critiche, come nel campo automotive o nei cosiddetti off-road vehicles.
In queste applicazioni la batteria, per raggiungere le tensioni richieste, è formata da un gran numero di celle in serie, il che introduce una serie di problemi che riducono l’energia immagazzinabile. Inoltre, data la delicatezza di tali celle e le grandi potenze in gioco, nasce la necessità di un sistema di gestione denominato BMS (battery management system).
Tratterò di queste problematiche nei prossimi articoli, per cui vi invito a seguire il sito e soprattutto e commentare per qualunque dubbio o consiglio (sono uno scrittore in erba!). Spero che tutte queste definizioni e “menate” teoriche non siano state eccessivamente noiose, ma vedrete che sono fondamentali per capire i problemi introdotti e soprattutto le possibili soluzioni.

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