Una batteria agli ioni di litio accumula energia tramite reazioni elettrochimiche reversibili che spostano ioni litio tra due materiali ospiti. Durante la scarica, gli ioni si muovono internamente attraverso l’elettrolita, mentre gli elettroni percorrono il circuito esterno alimentando il carico. Durante la carica, un generatore esterno forza il processo inverso.
La cella è composta da anodo, catodo, separatore ed elettrolita. Il separatore impedisce il contatto elettrico diretto tra gli elettrodi, ma lascia passare gli ioni. L’elettrolita conduce ioni, non elettroni: questa distinzione è essenziale perché obbliga gli elettroni a fluire nel circuito esterno.
Intercalazione
Il meccanismo tipico è l’intercalazione: gli ioni litio entrano e escono dalla struttura cristallina degli elettrodi senza distruggerla completamente. In molte celle, durante la carica gli ioni litio vengono estratti dal catodo e inseriti nell’anodo grafitico; durante la scarica tornano verso il catodo.
La tensione della cella nasce dalla differenza di potenziale elettrochimico tra i due elettrodi. L’energia disponibile è approssimativamente:
dove è la tensione nominale e la capacità elettrica. Nelle specifiche commerciali, è spesso espressa in ampereora.
Carica e scarica
La carica delle celle agli ioni di litio avviene di solito in due fasi: corrente costante e poi tensione costante. Nella prima fase la corrente è limitata per controllare riscaldamento e stress chimico; nella seconda la tensione viene mantenuta al valore massimo ammesso mentre la corrente decresce.
La velocità di carica o scarica è indicata tramite C-rate. Una scarica a scarica idealmente la cella in un’ora; a in mezz’ora. C-rate elevati aumentano perdite, riscaldamento e degrado.
BMS e sicurezza
Una batteria reale non è solo chimica: è anche elettronica di controllo. Il BMS (battery management system) misura tensioni, correnti e temperature, bilancia le celle, stima lo stato di carica e disconnette il pacco in condizioni pericolose.
I principali rischi sono sovraccarica, scarica profonda, corto circuito, temperatura eccessiva e danneggiamento meccanico. In condizioni estreme può innescarsi fuga termica. Per questo celle, modulo, pacco, raffreddamento e controllo devono essere progettati come un unico sistema.
La batteria agli ioni di litio è così diffusa perché offre alta densità energetica, buona efficienza e ricaricabilità; il prezzo ingegneristico di queste qualità è la necessità di una gestione accurata dei limiti elettrochimici.