Chimica delle celle e componenti

Anodo

L'anodo è uno dei due elettrodi nella batteria di un veicolo elettrico (auto elettrica), l'altro è il catodo. Durante il ciclo di scarica, avviene ossidazione all'anodo, rilasciando elettroni nel circuito esterno per alimentare il dispositivo o il veicolo. Durante il ciclo di ricarica, avviene riduzione all'anodo, assorbendo elettroni dal circuito esterno e immagazzinando energia nella batteria.

In una batteria agli ioni di litio, l'anodo è tipicamente realizzato in grafite, che ha una struttura a strati che permette agli ioni di litio di intercalarsi tra di essi. Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio si spostano dall'anodo al catodo attraverso l'elettrolita, mentre gli elettroni scorrono nel circuito esterno. Durante la ricarica, avviene il processo inverso, con gli ioni di litio che si spostano dal catodo all'anodo.

La prestazione dell'anodo è cruciale per le prestazioni complessive e la sicurezza di una batteria di auto elettrica. Un materiale anodico di alta qualità dovrebbe avere elevata capacità di immagazzinamento degli ioni di litio, buona conducibilità, stabilità strutturale e resistenza al degrado su molteplici cicli di ricarica e scarica. Sebbene gli anodi in grafite soddisfino questi requisiti, i ricercatori stanno esplorando altri materiali come il silicio, che ha una capacità di immagazzinamento molto superiore ma è più soggetto al degrado.

Aziende come StoreDot stanno lavorando su anodi a base di silicio. Ciò potrebbe teoricamente raddoppiare la densità energetica a livello di cella, beneficiando notevolmente le auto elettriche. Gli anodi al silicio potrebbero anche migliorare l'attrattiva delle celle a minore energia, come quelle LFP, riducendo il divario con le celle a base di NMC e minimizzando il principale svantaggio delle LFP: la limitata densità energetica. Le stime mostrano che incorporare il 20% di silicio in un anodo potrebbe migliorare la densità energetica di una cella LFP del 17%, anche se il costo aggiuntivo potrebbe essere proibitivo.

Catodo

Il catodo è l'elettrodo dove avviene la riduzione durante il ciclo di scarica, accettando elettroni dal circuito esterno per alimentare il dispositivo o il veicolo. Durante il ciclo di ricarica, avviene ossidazione al catodo, rilasciando elettroni nel circuito esterno e immagazzinando energia nella batteria.

In una batteria agli ioni di litio, il catodo è tipicamente costituito da un ossido metallico, come l'ossido di cobalto di litio (LCO), l'ossido di nickel, cobalto e manganese di litio (NMC) o il fosfato di ferro e litio (LFP). La scelta del materiale del catodo influisce significativamente sulle prestazioni, sulla sicurezza e sul costo della batteria.

Ossidi di nickel, manganese e cobalto di litio (NMC)

I catodi NMC sono popolari per le batterie delle auto elettriche grazie alla loro elevata densità energetica e buona stabilità termica. Offrono un equilibrio tra densità energetica e densità di potenza, rendendoli adatti a una vasta gamma di applicazioni per auto elettriche.

Le diverse versioni di catodi NMC, come NMC111, NMC532 e NMC622, indicano i rapporti tra nickel, manganese e cobalto. Un contenuto più elevato di nickel aumenta la densità energetica ma anche il costo. Gli sviluppi recenti includono NMC811 e NMC622, che offrono una densità energetica ancora maggiore ma possono presentare sfide legate alla stabilità termica e alla durata del ciclo. NCM9 è l'ultima evoluzione, con un contenuto di nickel del 90%.

La dimensione e la morfologia delle particelle del materiale del catodo influenzano anche le prestazioni. Particelle più piccole possono migliorare la capacità di carica/scarica ad alta velocità e la densità di potenza, mentre particelle più grandi possono aumentare la densità energetica.

Ossidi di nickel, cobalto e alluminio di litio (NCA)

I catodi NCA hanno un'elevata densità energetica e sono utilizzati nelle batterie delle auto elettriche, in particolare nei veicoli Tesla. Offrono un'elevata densità energetica e buone prestazioni, rendendoli una scelta popolare per molti produttori di auto elettriche.

I catodi NCA includono tipicamente nickel, cobalto, alluminio e ossigeno. Offrono un'elevata densità energetica, garantendo un'autonomia di guida più lunga per le auto elettriche. I catodi NCA hanno anche una buona densità di potenza e una lunga durata di ciclo, ma possono essere sensibili alle alte temperature, richiedendo sistemi di gestione termica sofisticati.

Fosfato di ferro e litio (LFP)

LFP è un materiale catodico comunemente utilizzato nelle batterie delle auto elettriche grazie alla sua elevata stabilità termica e lunga durata di ciclo. I catodi LFP hanno una densità energetica inferiore rispetto ad altri tipi, ma offrono buona sicurezza, durata e costi contenuti.

I catodi LFP sono costituiti da fosfato di ferro e litio (LiFePO4), un materiale stabile e non tossico. Sono popolari in Cina grazie a normative di sicurezza severe. Marchi come Tesla utilizzano LFP nei loro modelli a minore autonomia.

Vantaggi di LFP

• Elevata stabilità termica, riducendo il rischio di runaway termico.
• Lunga durata di ciclo, rendendoli adatti ad applicazioni che richiedono alta affidabilità.
• Costi inferiori rispetto alle chimiche a base di nickel.

Svantaggi di LFP

• Densità energetica inferiore, rendendoli meno adatti per auto elettriche ad alta autonomia.
• Scarse prestazioni in condizioni di freddo, influenzando la capacità di scarica e la velocità di ricarica.

Fosfato di manganese, ferro e litio (LMFP)

LMFP combina l'elevata sicurezza delle LFP e l'elevata densità energetica del fosfato di manganese di litio (LMP). È un promettente materiale catodico per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni, specialmente per auto elettriche.

Vantaggi di LMFP

• Elevata stabilità termica e basso rischio di runaway termico.
• Elevata densità di potenza e capacità di carica rapida.
• Lunga durata di ciclo e buone prestazioni a tassi elevati.
• Bassi costi e rispetto per l'ambiente.
• Elevata tensione di piattaforma e capacità specifica migliorata.

Sfide di LMFP

• Bassa conducibilità elettronica e coefficiente di diffusione degli ioni di litio.
• Transizione di fase e distorsione della struttura cristallina durante il ciclo.
• Dissoluzione del manganese ad alte temperature.
• Compatibilità dell'elettrolita e stabilità dell'interfaccia.

Riepilogo dei materiali del catodo

Separatore

Un separatore è un componente essenziale di una batteria di auto elettrica, posizionato tra il catodo e l'anodo per prevenire cortocircuiti. Tipicamente è una membrana sottile e porosa realizzata in materiale polimerico che consente il flusso degli ioni di litio tra gli elettrodi impedendo il passaggio degli elettroni.

Il separatore fornisce una barriera fisica, permette il flusso di ioni di litio e aiuta a mantenere la struttura interna della batteria prevenendo la formazione di dendriti. Un buon materiale per separatore dovrebbe avere alta conducibilità ionica, bassa conducibilità elettrica e buona stabilità termica.

I materiali comuni per separatori includono polietilene (PE), polipropilene (PP) e materiali ceramici come il fosfato di litio, alluminio e titanio (LATP).

Elettrolita

Gli elettroliti liquidi nelle batterie agli ioni di litio sono costituiti da sali di litio in un solvente organico, come carbonato di etilene, dimetil carbonato e dietil carbonato. Agiscono come percorso conduttivo per i cationi che si muovono tra gli elettrodi durante la scarica e la ricarica.

Le batterie allo stato solido, che utilizzano elettroliti solidi, offrono potenziali vantaggi come maggiore densità energetica, ricarica più rapida, lunga durata e migliore sicurezza. Tuttavia, affrontano sfide come elevati costi, bassa densità di potenza e scarsa stabilità dell'interfaccia.

Le batterie semi-solido e quasi-solido sono tipi ibridi che combinano elettroliti solidi e liquidi, con l'obiettivo di superare alcuni limiti delle batterie allo stato solido.

Collettore di corrente

Il collettore di corrente facilita il flusso di corrente elettrica tra l'elettrodo e il circuito esterno. Nelle batterie agli ioni di litio, è tipicamente una sottile lamina metallica in rame o alluminio, rivestita di carbonio per migliorare la conducibilità e prevenire la corrosione.

Il design e i materiali del collettore di corrente influiscono significativamente sulle prestazioni e sulla durata delle celle della batteria.

Batteria di auto elettrica spiegata con il cibo

Nel video qui sotto, la scienziata e ingegnere di batterie Jill Pestana del canale YouTube Across the Nanoverse spiega le diverse parti della batteria usando il cibo.