Cosa sono le batterie agli ioni di litio

1 Cosa sono le batterie agli ioni di litio?

Una batteria è una fonte di energia elettrica costituita da una o più celle elettrochimiche con connessioni esterne per l'alimentazione di dispositivi elettrici Una batteria agli ioni di litio o agli ioni di litio è un tipo di batteria ricaricabile che utilizza la riduzione reversibile degli ioni di litio per immagazzinare energia ed è famosa per la sua elevata densità di energia.

2 La struttura delle batterie agli ioni di litio

Generalmente la maggior parte delle batterie agli ioni di litio commerciali utilizzano composti intercalanti come materiali attivi. Solitamente sono costituiti da diversi strati di materiali disposti in un ordine specifico per facilitare il processo elettrochimico che consente alla batteria di immagazzinare e rilasciare energia: anodo, catodo, elettrolita, separatore e collettore di corrente.

Cos'è l'anodo?

Come componente della batteria, l'anodo svolge un ruolo importante nella capacità, nelle prestazioni e nella durata della batteria. Durante la ricarica, l'anodo di grafite è responsabile dell'accettazione e della conservazione degli ioni di litio. Quando la batteria è scarica, gli ioni di litio si spostano dall'anodo al catodo creando una corrente elettrica. Generalmente l'anodo più comunemente utilizzato in commercio è la grafite, che nel suo stato completamente litiato di LiC6 è correlata a una capacità massima di 1339 C/g (372 mAh/g) Ma con lo sviluppo delle tecnologie, sono stati studiati nuovi materiali come il silicio per migliorare la densità energetica delle batterie agli ioni di litio.

Cos'è il catodo?

Il catodo funziona per accettare e rilasciare ioni di litio caricati positivamente durante i cicli attuali. Di solito è costituito da una struttura stratificata di un ossido stratificato (come l'ossido di litio cobalto), un polianione (come il fosfato di litio ferro) o uno spinello (come l'ossido di litio e manganese) rivestito su un collettore di carica (solitamente in alluminio) 

Cos'è l'elettrolita?

Come sale di litio in un solvente organico, l'elettrolita funge da mezzo per il movimento degli ioni di litio tra l'anodo e il catodo durante la carica e la scarica.

Cos'è il separatore?

Essendo una membrana sottile o uno strato di materiale non conduttivo, il separatore funziona per impedire il cortocircuito dell'anodo (elettrodo negativo) e del catodo (elettrodo positivo), poiché questo strato è permeabile agli ioni di litio ma non agli elettroni. Può anche garantire il flusso costante di ioni tra gli elettrodi durante la carica e la scarica. Pertanto, la batteria può mantenere una tensione stabile e ridurre il rischio di surriscaldamento, combustione o esplosione.

Cos'è il collezionista attuale?

Il collettore di corrente è progettato per raccogliere la corrente prodotta dagli elettrodi della batteria e trasportarla al circuito esterno, cosa importante per garantire prestazioni ottimali e longevità della batteria. E di solito è tipicamente costituito da un sottile foglio di alluminio o rame.

3 La storia dello sviluppo delle batterie agli ioni di litio

La ricerca sulle batterie ricaricabili agli ioni di litio risale agli anni '60, uno dei primi esempi è una batteria CuF2/Li sviluppata dalla NASA in 1965 Quando la crisi petrolifera colpì il mondo negli anni '70, i ricercatori rivolsero la loro attenzione a fonti di energia alternative, quindi la svolta che produsse la prima forma di moderna batteria agli ioni di litio fu fatta grazie alla leggerezza e all'elevata densità di energia delle batterie agli ioni di litio. Allo stesso tempo, Stanley Whittingham della Exxon scoprì che gli ioni di litio potevano essere inseriti in materiali come TiS2 per creare una batteria ricaricabile 

Tentò quindi di commercializzare questa batteria ma fallì a causa del costo elevato e della presenza di litio metallico nelle celle. Nel 1980 si scoprì che un nuovo materiale offriva un voltaggio più elevato ed era molto più stabile nell'aria, che sarebbe stato successivamente utilizzato nella prima batteria commerciale agli ioni di litio, sebbene non risolvesse, da solo, il problema persistente dell'infiammabilità. Nello stesso anno, Rachid Yazami inventò l'elettrodo (anodo) di grafite di litio. E poi, nel 1991, iniziarono ad entrare sul mercato le prime batterie ricaricabili agli ioni di litio al mondo. Negli anni 2000, la domanda di batterie agli ioni di litio è aumentata con la diffusione dei dispositivi elettronici portatili, il che rende le batterie agli ioni di litio più sicure e più durevoli. I veicoli elettrici sono stati introdotti negli anni 2010, creando un nuovo mercato per le batterie agli ioni di litio 

Lo sviluppo di nuovi processi e materiali di produzione, come anodi di silicio ed elettroliti a stato solido, ha continuato a migliorare le prestazioni e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Al giorno d'oggi, le batterie agli ioni di litio sono diventate essenziali nella nostra vita quotidiana, quindi la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie sono in corso per migliorare le prestazioni, l'efficienza e la sicurezza di queste batterie.

4.I tipi di batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono disponibili in diverse forme e dimensioni e non tutte sono uguali. Normalmente esistono cinque tipi di batterie agli ioni di litio.

l Ossido di litio cobalto

Le batterie all'ossido di litio cobalto sono prodotte con carbonato di litio e cobalto e sono note anche come batterie al litio cobalto o agli ioni di litio cobalto Hanno un catodo di ossido di cobalto e un anodo di carbonio di grafite e gli ioni di litio migrano dall'anodo al catodo durante la scarica, con il flusso che si inverte quando la batteria viene caricata. Per quanto riguarda la loro applicazione, vengono utilizzati in dispositivi elettronici portatili, veicoli elettrici e sistemi di stoccaggio di energia rinnovabile a causa della loro elevata energia specifica, basso tasso di autoscarica, alta tensione operativa e ampio intervallo di temperature. Ma prestare attenzione ai problemi di sicurezza correlati al potenziale di fuga termica e instabilità alle alte temperature.

l Ossido di litio manganese

L'ossido di litio e manganese (LiMn2O4) è un materiale catodico comunemente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio. La tecnologia per questo tipo di batterie è stata inizialmente scoperta negli anni '80, con la prima pubblicazione nel Materials Research Bulletin nel 1983. Uno dei vantaggi di LiMn2O4 è che ha una buona stabilità termica, il che significa che è meno probabile che si verifichi una fuga termica, che è anche più sicura rispetto ad altri tipi di batterie agli ioni di litio. Inoltre, il manganese è abbondante e ampiamente disponibile, il che lo rende un’opzione più sostenibile rispetto ai materiali catodici che contengono risorse limitate come il cobalto. Di conseguenza, si trovano spesso in apparecchiature e dispositivi medici, utensili elettrici, motocicli elettrici e altre applicazioni. Nonostante i suoi vantaggi, LiMn2O4 ha una stabilità ciclica inferiore rispetto a LiCoO2, il che significa che potrebbe richiedere una sostituzione più frequente, quindi potrebbe non essere adatto per i sistemi di accumulo di energia a lungo termine.

l Litio Ferro Fosfato (LFP)

Il fosfato viene utilizzato come catodo nelle batterie al litio ferro fosfato, spesso note come batterie al litio-fosfato. La loro bassa resistenza ha migliorato la stabilità termica e la sicurezza Sono anche famose per la durabilità e il lungo ciclo di vita, che le rendono l’opzione più economica rispetto ad altri tipi di batterie agli ioni di litio. Di conseguenza, queste batterie vengono spesso utilizzate nelle biciclette elettriche e in altre applicazioni che richiedono un lungo ciclo di vita ed elevati livelli di sicurezza Ma i suoi svantaggi rendono difficile un rapido sviluppo. Innanzitutto, rispetto ad altri tipi di batterie agli ioni di litio, costano di più perché utilizzano materie prime rare e costose. Inoltre, le batterie al litio ferro fosfato hanno una tensione operativa inferiore, il che significa che potrebbero non essere adatte per alcune applicazioni che richiedono una tensione più elevata. Il suo tempo di ricarica più lungo lo rende uno svantaggio nelle applicazioni che richiedono una ricarica rapida.

l Ossido di litio nichel manganese cobalto (NMC)

Le batterie al litio nichel manganese ossido di cobalto, spesso note come batterie NMC, sono costruite con una varietà di materiali universali nelle batterie agli ioni di litio. È incluso un catodo costituito da una miscela di nichel, manganese e cobalto La sua elevata densità di energia, le buone prestazioni ciclistiche e la lunga durata lo hanno reso la prima scelta nei veicoli elettrici, nei sistemi di accumulo in rete e in altre applicazioni ad alte prestazioni, contribuendo ulteriormente alla crescente popolarità dei veicoli elettrici e dei sistemi di energia rinnovabile. Per aumentare la capacità, vengono utilizzati nuovi elettroliti e additivi per consentire la ricarica a 4,4 V/cella e oltre. Esiste una tendenza verso gli ioni di litio con miscela NMC poiché il sistema è conveniente e offre buone prestazioni. Nichel, manganese e cobalto sono tre materiali attivi che possono essere facilmente combinati per soddisfare un'ampia gamma di applicazioni automobilistiche e di sistemi di accumulo di energia (EES) che richiedono cicli frequenti.

 Da ciò possiamo vedere che la famiglia NMC sta diventando sempre più diversificata

Tuttavia, gli effetti collaterali della fuga termica, dei rischi di incendio e delle preoccupazioni ambientali potrebbero ostacolarne l’ulteriore sviluppo.

ltitanato di litio

Il titanato di litio, spesso noto come li-titanato, è un tipo di batteria che ha un numero crescente di usi. Grazie alla sua nanotecnologia superiore, è in grado di caricarsi e scaricarsi rapidamente mantenendo una tensione stabile, il che lo rende adatto per applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici, sistemi di stoccaggio dell'energia commerciale e industriale e stoccaggio a livello di rete. Insieme alla loro sicurezza e affidabilità, queste batterie potrebbero essere utilizzate per applicazioni militari e aerospaziali, nonché per immagazzinare energia eolica e solare e costruire reti intelligenti. Inoltre, secondo Battery Space, queste batterie potrebbero essere utilizzate nei backup critici del sistema di alimentazione Tuttavia, le batterie al titanato di litio tendono ad essere più costose delle tradizionali batterie agli ioni di litio a causa del complesso processo di fabbricazione richiesto per produrle.

5.Le tendenze di sviluppo delle batterie agli ioni di litio

La crescita globale degli impianti di energia rinnovabile ha aumentato la produzione intermittente di energia, creando una rete sbilanciata. Ciò ha portato a una domanda di batterie, mentre l’attenzione alle zero emissioni di carbonio e la necessità di abbandonare i combustibili fossili, in particolare il carbone, per la produzione di energia spingono più governi a incentivare gli impianti di energia solare ed eolica. Queste installazioni si prestano a sistemi di accumulo di batterie che immagazzinano l’energia in eccesso generata. Pertanto, gli incentivi governativi volti a incentivare le installazioni di batterie agli ioni di litio guidano anche lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio Ad esempio, si prevede che la dimensione globale del mercato delle batterie agli ioni di litio NMC crescerà da milioni di dollari nel 2022 a milioni di dollari nel 2029; si prevede che crescerà a un CAGR del% dal 2023 al 2029  E si prevede che le crescenti esigenze delle applicazioni che richiedono carichi pesanti renderanno le batterie agli ioni di litio di 3.000-10.000 il segmento in più rapida crescita durante il periodo di previsione (2022-2030).

6 L’analisi degli investimenti delle batterie agli ioni di litio

Si prevede che il settore del mercato delle batterie agli ioni di litio crescerà da 51,16 miliardi di dollari nel 2022 a 118,15 miliardi di dollari entro il 2030, mostrando un tasso di crescita annuo composto del 4,72% durante il periodo di previsione (2022-2030), che dipende da diversi fattori.

l Analisi dell'utente finale

Le installazioni del settore dei servizi pubblici sono fattori chiave per i sistemi di accumulo dell'energia delle batterie (BESS). Si prevede che questo segmento crescerà da 2,25 miliardi di dollari nel 2021 a 5,99 miliardi di dollari nel 2030 con un CAGR dell’11,5%.  Le batterie agli ioni di litio mostrano un CAGR più elevato, pari al 34,4%, a causa della loro base a bassa crescita. I segmenti di stoccaggio dell’energia residenziale e commerciale sono altre aree con un ampio potenziale di mercato di 5,51 miliardi di dollari nel 2030, da 1,68 miliardi di dollari nel 2021. Il settore industriale continua la sua marcia verso zero emissioni di carbonio, con le aziende che si impegnano a raggiungere zero emissioni nette nei prossimi due decenni. Le aziende di telecomunicazioni e data center sono in prima linea nella riduzione delle emissioni di carbonio con una maggiore attenzione alle fonti di energia rinnovabile Tutto ciò favorirà il rapido sviluppo di  batterie agli ioni di litio mentre le aziende trovano modi per garantire backup affidabili e bilanciamento della rete.

l Analisi del tipo di prodotto

A causa del prezzo elevato del cobalto, la batteria priva di cobalto è una delle tendenze di sviluppo delle batterie agli ioni di litio. Il LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) ad alta tensione con un'elevata densità di energia teorica è uno dei materiali catodici privi di Co più promettenti del futuro. Inoltre, i risultati sperimentali hanno dimostrato che le prestazioni del ciclo e del tasso C della batteria LNMO sono migliorate utilizzando l'elettrolita semisolido. Si può proporre che il COF anionico sia in grado di assorbire fortemente Mn3+/Mn2+ e Ni2+ attraverso l'interazione di Coulomb, frenando la loro migrazione distruttiva verso l'anodo. Pertanto, questo lavoro sarà vantaggioso per la commercializzazione del materiale catodico LNMO.

l Analisi regionale

L’Asia-Pacifico diventerà il più grande mercato delle batterie stazionarie agli ioni di litio entro il 2030, trainato dai servizi di pubblica utilità e dalle industrie. Supererà il Nord America e l’Europa con un mercato di 7,07 miliardi di dollari nel 2030, crescendo da 1,24 miliardi di dollari nel 2021 ad un CAGR del 21,3%. Il Nord America e l’Europa saranno i prossimi mercati più grandi a causa dei loro obiettivi di decarbonizzazione delle loro economie e della rete nei prossimi due decenni. LATAM vedrà il tasso di crescita più elevato con un CAGR del 21,4% a causa delle sue dimensioni ridotte e della sua base bassa.

7 Cose da considerare per una batteria agli ioni di litio di alta qualità

Quando si acquista un inverter solare ottico non è necessario considerare solo il prezzo e la qualità, ma anche altri fattori.

l Densità di energia

La densità energetica è la quantità di energia immagazzinata per unità di volume. Una densità di energia più elevata con peso e dimensioni inferiori è più estesa tra i cicli di ricarica.

l  Sicurezza

La sicurezza è un altro aspetto critico delle batterie agli ioni di litio poiché possono verificarsi esplosioni e incendi durante la carica o la scarica, quindi è necessario scegliere batterie con meccanismi di sicurezza migliorati, come sensori di temperatura e sostanze inibitorie.

l Digitare

Una delle ultime tendenze nel settore delle batterie agli ioni di litio è lo sviluppo di batterie allo stato solido, che offrono una serie di vantaggi come una maggiore densità di energia e un ciclo di vita più lungo. Ad esempio, l’uso di batterie allo stato solido nelle auto elettriche ne aumenterà significativamente l’autonomia e la sicurezza.

l Velocità di ricarica

La velocità di ricarica dipende dalla velocità con cui la batteria viene caricata in modo sicuro. A volte la batteria impiega molto tempo a caricarsi prima di poter essere utilizzata.

lDurata della vita

 Nessuna batteria dura per tutta la vita ma ha una data di scadenza. Controlla la data di scadenza prima di effettuare l'acquisto. Le batterie agli ioni di litio hanno una durata intrinsecamente più lunga grazie alla loro composizione chimica, ma ogni batteria differisce l'una dall'altra a seconda del tipo, delle specifiche e del modo in cui sono realizzate. Le batterie di alta qualità dureranno più a lungo poiché sono realizzate con materiali pregiati all'interno.