Elettronica
Trattato sulle batterie al litio
Tratto da internet... consiglio a tutti di leggerlo e sapere quali sono le potenzialita' di una batteria al litio-ione..

Naturalmente e agganciato come sempre sul Forum ITALIA > elettronica fai da te


Il tipo di batteria ricaricabile noto come accumulatore litio-ione (a volte abbreviato Li-Ion) è un tipo di batteria ricaricabile comunemente impiegato nell' elettronica di consumo. È attualmente uno dei tipi più diffusi di batteria per laptop e telefono cellulare, con uno dei migliori rapporti potenza-peso, nessun effetto memoria ed una lenta perdita della carica quando non è in uso. Tali batterie possono essere pericolose se impiegate impropriamente e se vengono danneggiate, e comunque, a meno che non vengano trattate con cura, si assume che possano avere una vita utile più corta rispetto ad altri tipi di batteria. Una versione più avanzata della batteria litio-ione è l'accumulatore litio-polimero.






Gilbert N. Lewis fabbricò le prime batterie al litio nel 1912; le prime pile non ricaricabili furono create nei primi anni settanta. La batteria ricaricabile al litio-ione necessitò di altri 20 anni di sviluppo prima che fosse sicura abbastanza per essere usata in massa sul mercato, e la prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel 1991, a seguito di una ricerca di un team diretto da John B. Goodenough.


Vantaggi e Svantaggi

Vantaggi
Le batterie al litio-ione possono essere costruite in una vasta gamma di forme e dimensioni, in modo da riempire efficientemente gli spazi disponibili nei dispositivi che le utilizzano.

Tali batterie sono anche più leggere delle equivalenti fabbricate con altri componenti chimici - spesso molto più leggere. Questo perché gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata - la più alta di tutti gli ioni che si sviluppano naturalmente. Gli ioni di Li sono piccoli e mobili, ma stoccabili più prontamente di quelli di idrogeno. Inoltre una batteria basata sul litio è più piccola di una con elementi di idrogeno, come le batterie all'idruro metallico di nichel, e con meno gas volatili. Gli ioni necessitano di meno intermediari per l'immagazzinaggio, cosicché più peso della batteria è utilizzabile per la carica, invece che per l'overhead.

Le batterie Li-ion non soffrono dell'effetto memoria. Hanno anche un basso ritmo di auto-scarica approssimativamente del 5% mensile, paragonato all'oltre 30% mensile e 20% mensile in batterie all'idruro metallico di nichel e al nichel-cadmio, rispettivamente. In effetti, le batterie Li-Ion (in particolare le batterie al Li-Ion "stupide" non hanno processi di auto-scarica nel significato abituale della parola , ma soffrono di una lenta perdita permanente di capacità, descritta in maggior dettaglio sotto. D'altro canto, le pile al Li-Ion "intelligenti" si auto-scaricano lentamente, a causa del piccolo consumo del circuito di monitoraggio del voltaggio inserito in esse; questo consumo è la sorgente più importante di auto-scarica in queste batterie.


Svantaggi

L'unico svantaggio della batteria al Li-Ion è che la sua durata dipende dall'anno di produzione (vita di "mensola", senza dipendere dal fatto che sia stata caricata, e non solo dal numero di cicli di carica/scarica. Questo svantaggio non è molto pubblicizzato .

Ad un livello di carica del 100%, una tipica batteria per laptop al Li-Ion che è piena a 25 gradi Celsius o 77 gradi Fahrenheit, perderà irreversibilmente approssimativamente il 20% della capacità all'anno. Tuttavia una batteria installata in un laptop poco ventilato, potrebbe venire esposta a temperature molto più alte di 25 °C, il che abbrevia significativamente la sua vita. La perdita di capacità comincia dal momento in cui la batteria è stata fabbricata, e avviene anche qualora la batteria non venga usata. Diverse temperature di stoccaggio provocano diversi risultati di perdita: il 6% a 0 °C/32 °F, 20% a 25 °C/77 °F, e 35% a 40 °C/104 °F. Quando immagazzinata al 40% di carica questi numeri si riducono al 2%, 4% e 15% a 0, 25 e 40 gradi Celsius rispettivamente.

Per questo gli accumulatori Li-Ion non sono adatti ad essere usate come fonte secondaria di energia: per questa applicazione sono più indicati gli accumulatori al piombo, o anche le batterie al Ni-MH.

Siccome la potenza massima che può essere continuamente prelevata dalla batteria dipende dalla sua capacità, nei dispositivi che richiedono alta potenza (relativa alla capacità della batteria espressa in A·h), come computer portatili e videocamere, le batterie al Li-Ion spesso si guastano bruscamente anziché mostrare una graduale diminuzione della durata di uso dell'equipaggiamento. Al contrario, i dispositivi che richiedono bassa potenza, come i telefoni portatili, possono sfruttare l'intero ciclo di vita della batteria.

Una pila al Li-Ion singola non va mai scaricata sotto una certa tensione, per evitare danni irreversibili. Di conseguenza tutti i sistemi che utilizzano batterie al Li-Ion sono equipaggiati con un circuito che spegne il sistema quando la batteria viene scaricata sotto la soglia predefinita . Dovrebbe dunque essere impossibile scaricare la batteria "profondamente" in un sistema progettato correttamente durante il normale uso. Questa è anche una delle ragioni per cui le pile al litio non vengono mai vendute da sole ai consumatori, ma solo come batterie finite progettate per adattarsi ad un sistema particolare.

Quando il circuito di monitoraggio della tensione è montato all'interno della batteria (la cosiddetta "batteria intelligente" anziché come equipaggiamento esterno, e consuma continuamente una piccola corrente dalla batteria anche quando non è in uso, la batteria non va a maggior ragione immagazzinata per lunghi periodi completamente scarica, per evitare danni permanenti.

Le batterie Li-Ion non sono durature come quelle al nichel metal-idrato o al nichel-cadmio, e possono essere pericolose se se ne sbaglia l'utilizzo. Di solito sono anche più costose.




La chimica delle batterie Li-Ion non è sicura come le altre, e una pila al Li-Ion richiede diversi sistemi di sicurezza obbligatori al suo interno, prima che si possa considerare sicura per l'uso fuori da un laboratorio. Questi includono un interruttore termico (per prevenire il surriscaldamento in caso di sovraccarico) e una linguetta di sicurezza con valvola di sfiato (per rilasciare la pressione interna). Nonostante queste caratteristiche di sicurezza, le batterie Li-Ion sono soggette a frequenti richiami; inoltre, tali sistemi occupano spazio utile all'interno delle pile, oltre ad aggiungere ulteriori possibilità di guasto. Di solito, in caso di problemi a questi sistemi, la pila è resa inutilizzabile permanentemente e irreversibilmente.

Il numero di caratteristiche di sicurezza può essere paragonato con quello della pila al nichel metal-idrato, la quale ha solo un sistema di ricombinazione dell'idrogeno/ossigeno (che previene il danno da lieve sovraccarica) e una valvola per il back-up della pressione.

Attualmente sono in corso ricerche con l'obiettivo di sviluppare batterie al Li-Ion alternative, che risultino sicure con meno o nessun sistema di sicurezza .


Specifiche e Design

Densità specifica di energia: da 150 a 200 W·h/kg (da 540 a 720) kJ/kg)
Densità volumetrica di energia: da 250 a 530 W·h/L (da 900 a 1900 J/cm3)
Densità specifica di potenza: da 300 a 1500 W/kg (@ 20 secondi )



Una reazione chimica tipica della batteria al Li-Ion è come segue:

Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione di circuito aperto nominale di 3.6 V e una tensione di ricarica tipica di 4.2 V. La procedura di ricarica è a tensione costante con limite di corrente. Questo significa caricare con corrente costante finché una tensione di 4.2 V viene raggiunta dalla pila e continua con tensione costante finché la corrente diventa nulla o quasi. (Tipicamente la carica viene terminata al 7% della corrente iniziale di carica). Le vecchie batterie agli ioni di litio non potevano essere caricate velocemente e necessitavano tipicamente di almeno 2 ore per ricaricarsi completamente. Le pile della generazione attuale si ricaricano completamente in 45 minuti o meno; alcune raggiungono il 90% di carica in appena 10 minuti.

Il design interno delle pile a ione di litio è come segue. L'anodo è fatto con carbonio, il catodo è un ossido metallico, e l'elettrolito è un sale di litio in solvente organico. Poiché il metallo di litio, che potrebbe essere prodotto in condizioni irregolari di ricarica, è molto reattivo e può causare esplosioni, le pile agli ioni di litio solitamente hanno incorporati circuiti elettronici protettivi e/o fusibili per evitare l'inversione di polarità, sovraccarichi di tensione e surriscaldamento.


Interfase Elettrolitico Solido

Un elemento particolarmente importante per attivare le batterie agli ioni di litio è l'interfase elettrolitico solido (SEI). Gli elettroliti liquidi nelle batterie agli ioni di litio consistono in elettroliti di sali di litio, come LiPF6, LiBF4, o LiClO4, e solventi organici, come l'etere. Un elettrolito liquido conduce ioni di litio, il quale agisce come trasporto tra il catodo e l'anodo quando una batteria fa passare una corrente elettrica attraverso un circuito esterno. Tuttavia, elettroliti solidi e solventi organici si decompongono facilmente sugli anodi durante la carica, impedendo l'attivazione della batteria. Eppure, quando solventi organici appropriati vengono usati come elettroliti, gli elettroliti si decompongono e formano un'interfaccia elettrolitica solida alla prima carica che è isolante elettricamente e altamente conduttiva per gli ioni di litio. L'interfaccia previene la decomposizione degli elettroliti dopo la seconda carica. Per esempio, il carbonato di etilene si decompone relativamente ad un alto voltaggio, e forma una interfaccia forte e stabile. Questa interfaccia viene chiamata SEI.

Vedi triossido di uranio per avere dettagli su come lavora il catodo. Mentre gli ossidi di uranio non vengono usati nelle batterie commerciali, il modo in cui gli ossidi di uranio possono reversibilmente inserire cationi è lo stesso in cui lavora in molte pile agli ioni di litio.


Guida al prolungamento della vita di una batteria al Li-Ion [modifica]
A differenza delle batterie al nickel-cadmio, le batterie agli ioni di litio andrebbero caricate presto e spesso. Tuttavia, se non vengono utilizzate per un lungo periodo, andrebbero caricate a circa il 40%. Le batterie agli ioni di litio non andrebbero mai "ciclate profondamente" come quelle al Nichel-Cadmio.
Le batterie al Li-Ion andrebbero mantenute fredde. Idealmente mantenute in un frigorifero. L'invecchiamento è molto più rapido alle alte temperature. Le alte temperature all'interno delle automobili provocano un degrado rapido delle batterie al Li-Ion.
Le batterie al litio non dovrebbero mai essere scaricate completamente (0%).
Secondo un libro , le batterie al Li-Ion non andrebbero congelate. Nota che la maggior parte delle batterie al Li-Ion congelano approssimativamente a -40 °C, molto meno delle più bassa temperatura raggiungibile dalla maggior parte dei freezer casalinghi.
Le batterie al Li-Ion andrebbero comperate solo quando necessarie, a causa del fatto che l'invecchiamento comincia ad agire da quando sono state fabbricate.
Quando si utilizza un notebook utilizzando la corrente di casa per lunghi periodi, la batteria si può rimuovere e mantenere in un luogo fresco cosicché non subisca del caldo prodotto dal computer; tuttavia la batteria del notebook previene le perdite di dati in memoria durante sbalzi di tensione e blackout. Buone alternative sono l'uso di vecchie batterie al litio o di un gruppo di continuità.


Temperatura e carica di immagazzinaggio

Immagazzinare una batteria agli ioni di litio alla temperatura e carica corrette fa la differenza per mantenere la sua capacità di carica. La seguente tabella mostra la perdita di carica permanente che c'è con immagazzinaggio ad un livello di carica e una temperatura dati.




Perdita Permanente di Capacità contro Condizioni di Immagazzinaggio

Temperatura di deposito 40% di Carica 100% di Carica
0 °C (32 °F) 2% di perdita dopo 1 anno 6% di perdita dopo 1 anno
25 °C (77 °F) 4% di perdita dopo 1 anno 20% di perdita dopo 1 anno
40 °C (104 °F) 15% di perdita dopo 1 anno 35% di perdita dopo 1 anno
60 °C (140 °F) 25% di perdita dopo 1 anno 40% di perdita dopo 3 mesi
Source: batteryuniversity.com
C'è un significativo beneficio nell'evitare di depositare una batteria agli ioni di litio a piena carica. Una batteria Li-Ion depositata al 40% di carica durerà molte più volte di una depositata al 100%, particolarmente alle alte temperature.

Se una batteria agli ioni di litio viene depositata con troppa poca carica, c'è il rischio di permettere alla carica di cadere sotto la soglia di basso-voltaggio, risultando in una batteria irrecuperabile. Una volta che la carica è scesa sotto tale livello, ricaricarla può essere pericoloso. Un circuito interno di sicurezza si aprirà per impedire la ricarica, e la batteria sarà completamente inutilizzabile per tutti gli scopi pratici.

In circostanze in cui una seconda batteria al litio è disponibile per un certo strumento, è raccomandabile che la batteria inutilizzata sia scaricata al 40% e messa in frigorifero per prolungare la sua vita di scaffale. Bisognerebbe dare alle batterie il tempo di riscaldarsi alla temperatura ambiente per 24 ore prima di ogni carica o scarica.


Problematiche di sicurezza

Computer portatile DELL danneggiato dall'esplosione di una batteriaLe batterie agli ioni di litio si possono facilmente rompere, prendere fuoco o esplodere quando sono esposte alle alte temperature, o alla luce diretta del sole. Non dovrebbero essere tenute in macchina durante il periodo caldo. Cortocircuitare una batteria al litio può causare incendi ed esplosioni.

Il contenitore di una batteria al Li-Ion non va mai aperto per nessun motivo, esse contengono dispositivi di sicurezza che proteggono le pile, se danneggiati, queste possono anche causare l'incendio o l'esplosione della batteria.

I contaminanti all'interno delle pile possono disabilitare questi dispositivi di sicurezza. Il richiamo di più di 10 milioni di batterie utilizzate in laptop Dell, Apple, Lenovo/IBM, Panasonic, Toshiba, Hitachi, Fujitsu e Sharp da parte della Sony a metà del 2006 fu una conseguenza della contaminazione interna da parte di particelle metalliche. Sotto certe circostanze, queste possono perforare il separatore, cortocircuitandole e convertendo rapidamente tutta l'energia della pila in calore.

Kuzhikalail M. Abraham, un consulente sulle batterie al litio della E-Kem Sciences, dice che la spinta dell'industria dei computer ad aumentare la capacità delle batterie può testare i limiti dei componenti sensibili, come la membrana separatrice, una pellicola di polietilene o polipropilene spessa soltanto 20-25 µm. Precisa che la densità di energia delle batterie agli ioni di litio è più che raddoppiata da quando sono state introdotte nel 1991. Egli dice "Quando imballate la batteria con sempre più materiale, la pellicola può subire stress".

Il richiamo delle batterie per laptop della Dell della metà del 2006 non è stato il primo, ma solo il più grande. Durante la passata decade ci sono stati numerosi richiami di batterie agli ioni di litio in telefoni cellulari e laptop dovuti a problemi di surriscaldamento. Lo scorso dicembre, la Dell ritirò circa 22.000 batterie dal mercato americano. Nel 2004, la Kyocera Wireless richiamò circa un milione di batterie usate nei telefoni..

"È possibile rimpiazzare il catodo in ossido di litio e cobalto nelle batterie agli ioni di litio con catodi in metallo fosfato litiato, che non esplode e ha anche una maggiore vita di scaffale. Ma per il momento queste batterie più sicure sembrano principalmente destinate alle automobili elettriche e altre applicazioni che necessitano grandi capacità, e dove le problematiche di sicurezza sono più critiche... Il fatto è che il metallo fosfato litiato tiene soltanto circa il 75 percento della capacità..."


Nuove tecnologie

Nel febbraio del 2005, la Altair NanoTechnology , una piccola marca di Reno, Nevada, annunciò un materiale per elettrodi di batterie al litio di dimensioni nanoscopiche. Il prototipo della batteria ha tre volte la potenza delle attuali batterie e può essere pienamente ricaricato in 6 minuti.

Nel marzo 2005, la Toshiba ha annunciato un'altra batteria al litio a ricarica veloce, basata su una nuova tecnologia di nanomateriali, che procurano una ricarica ancora più veloce, una capacità più grande e un ciclo di vita più lungo. La batteria potrà essere utilizzata in prodotti commerciali a partire dal 2006 o agli inizi del 2007, primariamente in settori industriali o negli autotrasporti .

Nel Novembre 2005, la A123Systems annunciò una nuova batteria ancora più potente e ricaricabile più velocemente basata su di una ricerca autorizzata dal MIT. La loro prima pila è in produzione (2006) e viene usata nei power tools e in conversioni Hybrids Plus Prius PHEV (anche se la conversione costa più del prezzo dell'auto, soprattutto a causa del costo delle batterie).

Tutte queste formulazioni coinvolgono nuovi elettrodi. Aumentando l'area effettiva dell'elettrodo - diminuendo la resistenza interna della batteria - la corrente può essere aumentata sia durante l'uso che la ricarica. Questo è simile agli sviluppi ottenuti con il supercondensatore. Di conseguenza la batteria è capace di rilasciare più potenza (in watt); tuttavia, la capacità della batteria (amperora) è aumentata solo di poco.

Nell'aprile 2006, un gruppo di scienziati del MIT annunciò di aver trovato un modo per utilizzare i virus per formare cavi nanoscopici che possono essere usati per costruire batterie agli ioni di litio ultra sottili con tre volte la normale densità di energia. Science Express (prestampa) .


Valter 12-01-2010
17/01/2010


valter_64

Utenti On Line
[Iscritti: 6]   [Ospiti: 134]   [In questa pagnia: 1]

 Giudetec27  sassa75  josephlost  Dany83  Luka112  FraWeb 

I.ME.DE. Club - Italia Metal Detector - Copyright © IMEDE.it (2009 - 2019)   Vietata la copia e la riproduzione anche parziale del layout e dei contenuti.
Richiesta Informazioni