Quali sono i tipi di batterie? Scopri le differenze tra i tipi di celle!

Le celle delle batterie sono ora utilizzate non solo nei laptop o nei giocattoli. Con l’aumento della densità energetica, possono alimentare dispositivi più grandi: da attrezzi, passando per scooter e biciclette elettriche, fino a auto elettriche grandi come autobus. Questo è possibile perché in tutte queste applicazioni possiamo utilizzare lo stesso tipo di celle (Li-ion). Tuttavia, il lavoro è ancora in corso su nuove soluzioni. Ecco perché vale la pena conoscere le differenze tra i tipi di batterie più popolari.

Prime celle delle batterie – NiCd e NiMH

La storia delle celle delle batterie ha avuto inizio nel 1899 in Svezia quando Waldemar Jungner costruì la prima cella al nichel-cadmio (NiCd). I costi elevati dei materiali utilizzati nella sua produzione limitarono significativamente l’uso di questi tipi di batterie. Un ulteriore svantaggio era l’alta tossicità del cadmio. Tuttavia, ci sono voluti quasi 100 anni principalmente per questo motivo che la vendita delle batterie NiCd in Europa è stata legalmente limitata solo per applicazioni industriali speciali.

Negli anni ’90 è emersa la tecnologia delle celle al nichel-metallo idruro (NiMH). Dal punto di vista costruttivo, differiscono dalle NiCd solo nel materiale catodico, rendendole significativamente più “ecologiche”. Offrono una capacità superiore del 30-40% e hanno una maggiore resistenza all’effetto “memoria” rispetto alle celle NiCd. Inoltre, la presenza di nichel aumenta l’attrattiva del loro riciclaggio. Tra i principali svantaggi delle celle NiMH ci sono la loro vita significativamente limitata, la necessità di algoritmi di carica complessi e una grande diminuzione delle prestazioni a basse temperature.

Tipi moderni di celle delle batterie. In cosa differiscono?

Lo sviluppo delle celle delle batterie è durato decenni, ma si è accelerato significativamente solo negli anni ’90. È stato in quel decennio che i costi di produzione delle batterie moderne sono diventati più bassi, portando a un aumento dell’uso, che a sua volta ha stimolato lo sviluppo di nuove tecnologie di produzione.

Celle al litio-ionico. Cosa vale la pena sapere su di esse?

La scoperta della batteria all’ossido di litio-cobalto risale agli anni ’70. John B. Goodenough lo costruì allora, utilizzando un catodo di ossido di litio e cobalto. Nel 1991, Sony introdusse sul mercato le prime batterie commerciali al litio-ionico basate sulla tecnologia LiCoO2.

Batterie 18650 popolari

Poco dopo, sono state sviluppate celle come le 18650, chiamate così dalle loro dimensioni (18 mm di diametro, 65,0 mm di lunghezza). Le celle Li-ion possono anche avere altre forme e dimensioni. La loro produzione è diventata più economica a partire dal 2001, garantendo la loro enorme popolarità.

Applicazioni delle celle Li-ion

D’altra parte, le celle Li-ion sono suscettibili all’autoriscaldamento ed esplosioni in determinate condizioni. Da qui la necessità di sistemi di gestione delle batterie speciali che garantiscono la stabilità dei processi di carica e scarica e proteggono la batteria dal surriscaldamento. In pratica, il processo di produzione e l’uso corretto hanno il maggior impatto sulla stabilità delle celle Li-ion. Pertanto, è consigliabile utilizzare batterie solo da produttori affidabili con dispositivi di ricarica dedicati.

Le celle al litio-ionico sono comunemente utilizzate in:

• Elettronica di consumo (telefoni, laptop, fotocamere digitali, power bank, torce, ecc.),
• Sistemi di accumulo di energia per l’industria,
• Alcuni veicoli elettrici.

Celle al litio-polimero. Perché sono così popolari?

Le celle al litio-polimero sono, in realtà, batterie al litio-ionico in cui l’elettrolita liquido è stato sostituito da un polimero solido o gelatinoso (ma non confonderle con batterie al gel, dove l’elettrolita in gel è una miscela di acido solforico con silice).

Nelle prime progettazioni delle celle al litio-polimero, l’elettrolita aveva la forma di un film plastico, la cui conducibilità elettrica a temperatura ambiente era bassa. Riscaldando la cella a una temperatura compresa tra 50°C e 60°C, ne aumentava la conducibilità, che era principalmente scomoda in molte applicazioni. Pertanto, sono state create celle polimeriche con un elettrolita gelificato, che hanno prestazioni accettabili a temperatura ambiente.

A differenza delle celle al litio-ionico, le batterie Li-Po non hanno bisogno di involucri rigidi, riducendo il loro peso di oltre il 20% e consentendo forme di batteria adatte ai dispositivi. Una cella al litio-polimero può essere sottile come una carta di credito. Per questi motivi, vengono utilizzate in laptop, smartphone e altri dispositivi portatili. Inoltre, le celle Li-Po si trovano anche in dispositivi medici mobili e veicoli a comando remoto (ad es. droni).

Batterie LFP, LiFePO4 – che cosa sono?

Un tipo di cella al litio-polimero con un elettrolita gelificato è la batteria LFP, nota anche come LiFePO4 perché il suo elettrodo positivo è fatto di ferro e fosforo.

Attualmente, sono le batterie più sicure sul mercato, più resistenti ai danni meccanici (specialmente alla perforazione). Mostrano anche un’elevata resistenza a condizioni operative improprie, rendendole adatte per l’industria pesante e altre applicazioni impegnative (incluse le scariche profonde). Rispetto alle celle NCA/NCM, sono più economiche ma hanno una minore densità energetica. Soffrono di prestazioni ridotte a basse temperature. Utilizzate correttamente, raggiungono una durata di vita di 3500-5000 cicli, corrispondenti a un periodo di utilizzo da 8 a 10 anni.

Le batterie LFP sono comunemente utilizzate in:

• Auto elettriche – specialmente nei modelli più economici, come Tesla nella versione Standard Range,
• Telecomunicazioni, energia, industria e medicina,
• Alimentazione di emergenza e sistemi di allarme,
• Illuminazione di emergenza,
• Installazioni fotovoltaiche,
• Alimentazione a bordo in barche, camper, rimorchi,
• Sempre più nei veicoli per magazzino (carrelli elevatori).

Celle NCA – le informazioni più importanti

Panasonic produce celle NCA. Questa costruzione utilizza catodi composti da una miscela di nichel, cobalto e alluminio. Ciò consente alle celle NCA di funzionare ai tassi di carica più elevati e avere una densità energetica elevata (200-260 Wh/kg) ma la durata più breve. Inoltre, la loro durata si riduce non solo a causa dell’uso, ma anche dell'”invecchiamento” della cella.

Accanto alle NMC, le celle NCA sono utilizzate principalmente per alimentare auto elettriche. Sono utilizzate anche nei sistemi di accumulo di energia ma sporadicamente nell’elettronica di consumo.

Celle NMC – conosci questi fatti?

1. La produzione di celle NMC è iniziata nel 2009.
2. Il loro elettrodo positivo è composto da una miscela di nichel, manganese e cobalto.
3. Le proporzioni di questi componenti determinano i prezzi di queste celle e le loro proprietà come la densità energetica (150-200 Wh/kg) o la potenza specifica.
4. Rispetto alle batterie LFP, hanno una durata più breve (da 800 a 2000 cicli), e sebbene mostrino stabilità nei componenti chimici utilizzati, sono meno sicure delle celle LiFePO4.
5. Simili al LiFePO4, le celle NMC contengono elettroliti di tipo gel ma hanno prestazioni migliori a basse temperature.
6. Sono tra le celle più comunemente utilizzate nell’elettromobilità a causa del compromesso tra densità energetica e sicurezza.

Le celle NMC sono principalmente utilizzate per alimentare:

• Strumenti elettrici,
• Telefoni, laptop,
• Carrelli elevatori e transpallet (soprattutto i modelli più compatti),
• Auto elettriche con le batterie più grandi (ad es. Tesla, modelli Long Range e Performance).

Batterie a semiconduttore sicuro

Per la sicurezza d’uso, le batterie a semiconduttore, ovvero le batterie a stato solido, sembrano essere le più attraenti. Principalmente perché rimuovono l’elettrolita liquido contenente idrocarburi, che è ciò che lo rende un ottimo combustibile. Questo è il motivo per cui le batterie al litio-ionico surriscaldato bruciano così efficacemente. Le batterie a stato solido hanno anche una densità energetica più elevata e possono funzionare in un’ampia gamma di temperature.