Si fa presto a dire batterie agli ioni di litio. Dietro a un termine usato sempre più spesso si celano tante tecnologie e altrettante soluzioni tecniche, anche molto diverse tra loro. In ogni caso, le batterie sono composte da un elemento fondamentale: le celle, che possono essere di vari tipi anch’esse.
Le più diffuse – non foss’altro per via del fatto sono usate da più tempo e sono adottate da Tesla su quasi tutte le sue vetture – sono le celle cilindriche.
Esternamente non si differenziano molto dalle classiche "stilo" che usiamo tutti i giorni per alimentare il telecomando della TV o i giochi elettronici dei bambini. Dentro, però, sono molto diverse per materiali utilizzati e complessità costruttiva perché devono garantire durata e prestazioni di ben altro livello.
Gli elementi fondamentali
Una cella agli ioni di litio è composta da una serie di elementi principali: l’anodo (elettrodo negativo), il catodo (elettrodo positivo), il separatore e l’elettrolita. Queste sono le componenti che consentono alla cella di immagazzinare energia e di cederla all’esterno.
Anodo, catodo e separatore vengono assemblati in fogli sovrapposti
- Anodo: l'elettrodo negativo è composto generalmente in grafite ma si stanno affermando anche anodi in silicio
- Catodo: l'elettrodo positivo è realizzato con un ossido metallico di litio che può contenere quantità variabili di nichel, manganese e cobalto. Di recente si studiano chimiche diverse, tra le più famose, quelle al litio-ferro-fosfato.
- Separatore: è realizzato in materiale plastico, spesso polietilene o polipropilene.
- Elettrolita: è un liquido in grado di consentire il passaggio degli ioni di litio tra catodo e anodo. Usa solventi che lo rendono altamente infiammabile. Ultimamente si stanno sperimentando soluzioni acquose, che resistono meglio alle alte temperature, e anche elettroliti semisolidi e solidi, che migliorano anche le prestazioni della cella stessa.
Le celle cilindriche prodotte da Panasonic
Una struttura complessa
In una cella cilindrica gli elettrodi gli elettrodi sono realizzati in fogli sovrapposti separati, come si intuisce, dal separatore, un sottile foglio anch’esso degli elettrodi tra loro. I fogli disposti uno sopra l’altro vengono arrotolati su se stessi a formare una spirale che viene chiamata Jelly Roll e vengono inseriti all’interno dell’alloggiamento esterno e immersi nell’elettrolita, che consente il passaggio degli ioni di litio tra i due elettrodi.
Se elettrodi, separatore ed elettrolita sono gli elementi che consentono l’effettivo passaggio degli ioni di litio in una direzione e nell’altra in base alle fasi di carica e scarica, nelle celle cilindriche sono presenti altre componenti.
L’involucro esterno, che è in alluminio o a volte in materiale plastico molto resistente, ma anche il terminale negativo, disco in rame o altro conduttore che chiude la cella nella parte inferiore ed è a contatto con l'anodo, e il terminale positivo, altro disco, stavolta generalmente in alluminio, che chiude la cella nella parte superiore e che è a contatto con il catodo.
Nella parte superiore si trovano anche delle valvole di sicurezza che consentono di gestire meglio gli aumenti di pressione o temperatura in caso di malfunzionamento.
Le celle cilindriche 4680 prodotte da Tesla nella Gigafactory di Austin
I vantaggi delle celle cilindriche
Rispetto ad altri tipi di celle, quelle cilindriche offrono una serie di vantaggi. Per prima cosa, essendo le più usate, sono più mature di altre architetture e questo le rende particolarmente affidabili. Inoltre, grazie alla loro forma, non si deformano facilmente, rendendo l’interno della batteria un ambiente sottoposto a minori sollecitazioni.
Essendo generalmente più piccole di celle di altri formati e con un’ampia superficie rispetto al volume totale occupato, riescono anche a dissipare bene il calore, potendo lavorare meglio anche in condizioni di forte stress.
A proposito di batterie con celle cilindriche
Fotogallery: BMW Cell Manufacturing Competence Center
