Breve storia della batteria ricaricabile: tipologie e tipi di batterie

Vediamo in questo White Paper di TME le varie tipologie e tipi di batterie ricaricabili: batterie ricaricabile agli ioni di litio (Li-Ion), batteria ricaricabile NiMH, batteria ricaricabile Li-Po.

Breve storia delle batterie ricaricabili

La prima batteria ricaricabile a base di acido al piombo fu creata in Francia, a metà del XIX secolo. In precedenza, tutte le batterie (o meglio le celle) erano primarie, ciò significava che non potevano essere ricaricate.

Nel 1899 Waldemar Jungner in Svezia inventò la batteria al nichel-cadmio (NiCd), in cui il cadmio veniva usato come elettrodo positivo (catodo) e il nichel veniva usato come elettrodo negativo (anodo). Tuttavia, l’elevato costo del materiale rispetto al piombo ne ha limitato l’uso. Questo non cambia il fatto che la batteria NiCd era l’unica batteria ricaricabile per applicazioni portatili. Negli anni ’90 in Europa gli ambientalisti si sono preoccupati dei danni derivanti dallo smaltimento incurante delle batterie NiCd. La direttiva sulle batterie 2006/66/CE limita attualmente la vendita di batterie NiCd nell’Unione Europea, ad eccezione degli usi industriali speciali in cui non possono essere sostituite. Un’alternativa sono le batterie ricaricabili al nichel-metallo-idruro (NiMH), più rispettosa dell’ambiente e simile alle batterie NiCd.

Oggi, la maggior parte delle attività di ricerca sono impegnate nel miglioramento dei sistemi al litio, lanciati per la prima volta dalla Sony nel 1991. Oltre ad alimentare telefoni cellulari, computer portatili, fotocamere digitali, elettroutensili e dispositivi medici, le batterie agli ioni di litio vengono utilizzate anche nei veicoli elettrici e nei satelliti. Questa batteria ha molti vantaggi, in particolare elevata energia specifica, ricarica semplice, bassi costi di manutenzione e rispetto dell’ambiente.

Guarda il catalogo delle batterie clicca qui

Mercato delle batterie secondarie (batterie ricaricabili)

Si stima che entro il 2026 le batterie agli ioni di litio rappresenteranno fino al 70% del mercato totale e le batterie al piombo-acido rappresenteranno un altro 20%. La dimensione dell’industria delle batterie ricaricabili agli ioni di litio nel 2020 ammontava a 40,8 miliardi di dollari e si prevede che nel 2026 raggiunga un valore di 100,3 miliardi di dollari. Il mercato delle batterie ricaricabili è segnato da una crescente domanda di dispositivi elettronici portatili. Smartphone e computer portatili sono dispositivi di uso comune non solo nei paesi sviluppati, ma anche in tutto il mondo. Pertanto, il mercato è in costante crescita, allo stesso tempo cresce anche l’attenzione alla protezione dell’ambiente e al ruolo svolto dai produttori di apparecchiature elettroniche e componenti proprio come le batterie ricaricabili.

Caratteristiche delle batterie ricaricabili:

Quando si sceglie una batteria ricaricabile è necessario prendere in considerazione le seguenti caratteristiche:

1. Tipo
2. Tensione
3. Curva di scarica
   La curva di scarica è un grafico della tensione come percentuale della capacità scaricata. È auspicabile una curva di scarica piatta, in quanto ciò significa che la tensione rimane costante quando la batteria ricaricabile si esaurisce.
4. Capacità
   La capacità teorica di una batteria è la quantità di energia elettrica coinvolta in una reazione elettrochimica.
5. Densità di energia specifica
   La densità di energia specifica è l’energia che può essere ottenuta per unità di massa della cella (o talvolta per unità di massa del materiale dell’elettrodo attivo). È il prodotto della capacità specifica e della tensione di funzionamento in un ciclo di scarica completo.
6. Densità di potenza
   La densità di potenza è la potenza che può essere ottenuta per unità di massa della cella (W/kg).
7. Dipendenza dalla temperatura
   La velocità di reazione nella cella dipenderà dalla temperatura conformemente alle teorie cinetiche. Anche la resistenza interna cambia con la temperatura; le basse temperature causano una maggiore resistenza interna. A temperature molto basse, l’elettrolita può congelare, generando una tensione inferiore, poiché il movimento degli ioni è ostacolato. A temperature molto elevate, le sostanze chimiche possono decomporsi o può essere presente una quantità di energia sufficiente ad innescare reazioni indesiderate e reversibili, riducendone l’efficienza.
8. Durevolezza
   Il ciclo di vita di una batteria ricaricabile è definito come numero di cicli di carica/scarica che una batteria può eseguire prima che la sua capacità scenda all’80% del suo valore originale. Di solito si tratta di un numero da 500 a 1200 cicli.
9. Requisiti fisici
   Includono la geometria della cella, le sue dimensioni, il peso e la forma e la posizione dei morsetti.
10. Ciclo di carica/scarica
    Ci sono molti aspetti del ciclo che devono essere considerati, come, ad esempio:
    1. Tensione necessaria per la ricarica
    2. Tempo necessario per la ricarica
    3. Disponibilità della sorgente di ricarica
    4. Potenziali rischi per la sicurezza durante la carica/scarica
11. Ciclo di vita
    Il ciclo di vita di una batteria ricaricabile è il numero di cicli di scarica/carica che questa può effettuare prima che la sua capacità scenda all’80%.
12. Costo
    Ciò include il costo iniziale della batteria stessa, nonché il costo della ricarica e della sua manutenzione.
13. Capacità di scarica profonda
    Esiste una relazione logaritmica tra la profondità di scarica e la durata della batteria, pertanto la vita utile della batteria può essere significativamente aumentata se non viene completamente scaricata; ad esempio, la batteria di un telefono cellulare durerà 5-6 volte di più se è scarica solo all’80% prima di essere ricaricata. Per le applicazioni in cui ciò potrebbe essere necessario, sono disponibili batterie speciali per la scarica profonda.
14. Requisiti dell’applicazione
    La batteria deve essere sufficiente per l’utilizzo previsto. Cioè, deve essere in grado di produrre la giusta corrente alla giusta tensione. Deve avere capacità, energia e potenza adeguate. Inoltre, non dovrebbe superare troppo i requisiti dell’applicazione, in quanto ciò può comportare costi inutili; deve assicurare una resa sufficiente al prezzo più basso possibile.

Batterie ricaricabili al nichel-metallo idruro (NiMH)

Per quasi 50 anni, i dispositivi portatili si basavano quasi esclusivamente su nichel e cadmio (NiCd), ma negli anni ’90 ebbero il sopravvento le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) per risolvere il problema della tossicità del NiCd persistente. Le celle hanno una struttura analoga alle batterie al nichel-cadmio e sono disponibili in tutti i tipi di alloggiamento (a bottone, cilindrico, a prisma e rettangolare).

Guarda le batterie ricaricabili al nichel-metallo-idruro clicca qui

Vantaggi della batteria ricaricabile al nichel-metallo idruro (NiMH)

1. 30-40% di capacità superiore rispetto alle batterie NiCd standard;
2. Meno suscettibili all'”effetto memoria” rispetto alle batterie ricaricabili NiCd;
3. Stoccaggio e trasporto semplici; non sono soggette a controllo normativo;
4. Rispettose dell’ambiente, contengono solo lievi tossine;
5. Il contenuto di nichel rende il riciclaggio conveniente.

Svantaggi della batteria ricaricabile al nichel-metallo idruro (NiMH)

1. Durata limitata; la scarica profonda riduce la vita utile;
2. Richiede un algoritmo di carica complesso;
3. Tollera male i sovraccarichi; la ricarica tampone deve essere mantenuta a basso livello;
4. Genera calore durante la ricarica e la scarica rapida con carichi pesanti;
5. Elevata autoscarica; gli additivi chimici riducono l’autoscarica a scapito della capacità;
6. L’efficienza diminuisce se la batteria ricaricabile viene stoccata a temperature elevate; Dovrebbe essere conservata in un luogo fresco, al livello del 40% dello stato di carica.

Batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li-Ion)

John B. Goodenough (1922) fu responsabile dell’invenzione della cella al litio-cobalto-ossido. Un anno prima, tuttavia, il marchio Sony aveva annunciato un brevetto internazionale per il catodo di litio/cobalto-ossido. Seguirono anni di contenzioso, ma la Sony riuscì a mantenere il brevetto.

La chiave per una migliore energia specifica per questo tipo di batteria è l’elevata tensione della cella, pari a 3,60 V. I miglioramenti nei materiali attivi e negli elettroliti possono aumentare ulteriormente la densità di energia. Le caratteristiche di carico sono buone e la curva di scarica piatta garantisce un uso efficiente dell’energia immagazzinata nello spettro di tensione desiderato e piatto di 3,70-2,80 V / cella. Nel 1994, il costo della produzione delle batterie agli ioni di litio nella cella cilindrica 18650 era di oltre 10$ e la capacità era di 1100 mAh. Nel 2001, il prezzo è sceso sotto i 3$ e la capacità è aumentata a 1900mAh. La riduzione dei costi, l’aumento dell’energia specifica e l’assenza di materiali tossici hanno spianato la strada agli ioni di litio per diventare una batteria ampiamente accettata per applicazioni portatili, industria pesante, sistemi di propulsione elettrica e satelliti.

La Li-ion è una batteria ricaricabile con bassi requisiti di manutenzione, vantaggio che la maggior parte delle altre sostanze chimiche non possono vantare. La batteria non ha memoria e non procedure dedicate (scarica completa intenzionale) per mantenerla in buone condizioni. L’autoscarica è oltre la metà inferiore rispetto a quella dei sistemi a base di nichel, che aiuta nell’applicazione di indicatori energetici. La tensione nominale della cella di 3,60 V può alimentare direttamente telefoni cellulari, tablet e fotocamere digitali, offrendo semplificazione e riduzione dei costi rispetto ai progetti multi-cella. Gli svantaggi sono la necessità di utilizzare circuiti di protezione per prevenire possibili autoaccensioni o esplosioni. Un ulteriore svantaggio è il prezzo elevato.

Guarda le batterie ricaricabili agli ioni di litio clicca qui

I tipi di batterie agli ioni di litio vengono suddivisi in base ai sistemi elettrochimici utilizzati in essi:

• (+) MLi / elettrolita organico / C (–), dove la lettera M sta per il metallo di base dell’elettrodo
• C – cobalto
• N – nichel
• M – manganese
• V – vanadio
• T – titanio

Le batterie agli ioni di litio dispongono di alloggiamenti ermetici, contenenti sistemi di controllo protettivi. I materiali degli elettrodi vengono applicati a lamine molto sottili (rame e alluminio), separate da un separatore.

Vantaggi della batteria ricaricabile agli ioni di litio (Li-Ion)

1. Alta energia specifica;
2. Autoscarica relativamente bassa; meno della metà delle batterie NiCd e NiMH;
3. Bassi costi di manutenzione. Non è necessaria alcuna scarica periodica; mancanza di memoria.

Svantaggi della batteria ricaricabile agli ioni di litio (Li-Ion)

1. Richiede un circuito di protezione per limitare tensione e corrente;
2. È soggetta ad invecchiamento persino in caso di mancato utilizzo (l’invecchiamento si verifica in tutte le batterie e i moderni sistemi agli ioni di litio hanno una durata simile a quella di altre sostanze chimiche);
3. Questi tipi di batterie ricaricabili sono soggetti a rigide norme di trasporto.

Batterie ricaricabili ai polimeri di litio (Li-Po)

All’inizio del ventunesimo secolo, il tema delle batterie agli ioni-polimeri divenne oggetto di discussione. Tuttavia, molti utenti hanno problemi a distinguere una normale batteria ricaricabile agli ioni di litio da una con una a struttura polimerica. Le batterie ricaricabili al litio-polimero differiscono dagli altri sistemi di batterie per il tipo di elettrolita utilizzato. Il polimero originale con la struttura degli anni ’70 utilizza un elettrolita polimerico solido (secco), simile a un film che assomiglia alla plastica. Questo isolante consente lo scambio ionico e sostituisce il tradizionale separatore poroso imbevuto di elettroliti. Il polimero solido ha una scarsa conduttività a temperatura ambiente e la batteria ricaricabile deve essere riscaldata a 50-60°C (122-140°F) per consentire il flusso di corrente. Affinché una moderna cella ai polimeri di litio conduca a temperatura ambiente, è gelificata.

Guarda le batterie ricaricabili al litio polimero clicca qui

Il termine corretto è “polimero agli ioni di litio” o polimero di litio. La struttura Li-polimero può essere realizzata in molti sistemi, come, ad esempio, Li-cobalto, NMC, Li-fosfato e Li-manganese. Per questo motivo, una batteria ricaricabile ai polimeri di litio non è considerata un’eccezione in relazione alle batterie agli ioni di litio. La maggior parte delle batterie secondarie ai polimeri di litio destinate al mercato di consumo si basano su sistemi al litio-cobalto. Per quanto riguarda l’utente, un polimero di litio è essenzialmente lo stesso di una batteria agli ioni di litio. Entrambi i sistemi utilizzano materiale catodico e anodico identico e contengono una quantità simile di elettrolita. Sebbene le caratteristiche e le prestazioni di entrambi i sistemi siano simili, il polimero di litio è unico, in quanto è un elettrolita microporoso e sostituisce il tradizionale separatore poroso. L’elettrolita gelificato diventa un catalizzatore che migliora la conduttività elettrica. Il polimero di litio offre un’energia specifica leggermente superiore e le batterie che lo utilizzano possono essere più sottili delle tradizionali batterie agli ioni di litio. Allo stesso tempo, il costo di produzione è più alto del 10-30%. Nonostante il prezzo più alto, la quota delle celle ai polimeri di litio sul mercato è in crescita. Sono disponibili anche in un alloggiamento flessibile in lamina (laminato polimerico o camera a sacchetto), simile ad un imballaggio per alimenti. Mentre una batteria agli ioni di litio standard richiede un alloggiamento rigido per comprimere gli elettrodi insieme, le batterie ricaricabili al Li -polimero sfruttano fogli laminati che non richiedono compressione. Tale custodia in lamina riduce il peso di oltre il 20%, inoltre, la tecnologia a film sottile consente libertà nella progettazione del formato e la batteria può essere realizzata in qualsiasi forma, adattandosi perfettamente a telefoni cellulari e laptop eleganti per renderli più piccoli, più sottili e più leggeri. Le batterie ricaricabili al Li -polimero possono essere molto sottili e assomigliare a una carta di credito. Le caratteristiche di carica e scarica del polimero di litio sono identiche a uno degli altri sistemi agli ioni di litio e non richiedono un caricabatterie dedicato. Anche i problemi di sicurezza sono simili.

Riciclaggio

L’utilizzo di batterie agli ioni di litio nell’elettronica di consumo e nei veicoli elettrici è cresciuto rapidamente negli ultimi anni. Questo aumento della domanda ha stimolato in modo significativo la produzione di batterie agli ioni di litio, che ha di conseguenza portato ad un aumento significativo della quantità di batterie esauste che diventano rifiuti.

Va ricordato che tutte le batterie contengono non solo sostanze molto nocive che non dovrebbero entrare nel suolo e nelle acque sotterranee. Contengono anche componenti che possono essere riutilizzati.

Le batterie verranno riciclate in modo sicuro se le consegniamo in un punto di raccolta dei rifiuti pericolosi o in un negozio che raccoglie le batterie per il riciclaggio. Per procedere correttamente, vale la pena seguire questi passaggi.

1. Raccogliere e suddividere le batterie per tipo
2. Con del nastro adesivo incollare i morsetti della batteria. Ciò impedirà loro di toccarsi per generare calore o fuoco.
3. Consegnare le batterie così ordinate e protette in un luogo appositamente designato.

Per informazioni clicca qui

Testo redate dalla Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
The original source of text: https://www.tme.eu/it/news/library-articles/page/44796/tipologie-e-tipi-di-batterie-ricaricabili-batteria-ricaricabile-agli-ioni-di-litio-batteria-ricaricabile-ni-mh-batteria-ricaricabile-li-po/