Probabilmente li hai visti sul tuo laptop. Sono sul tuo telefono. Alimenta i PDA e i lettori multimediali che portiamo con noi. Il motivo per cui questi dispositivi esistono nella loro forma attuale è semplice. Le batterie agli ioni di litio offrono una grande quantità di energia in relazione al loro peso. È anche una delle opzioni ricaricabili più potenti sul mercato.
Ma probabilmente hai sentito le storie dell’orrore. Le batterie agli ioni di litio possono prendere fuoco. Questo è raro, con circa due o tre pacchetti su un milione che riscontrano questo errore. Ma quando fallisce, le conseguenze sono violente. I tassi di guasto possono salire alle stelle, innescando richiami globali e costando ai produttori milioni di dollari.
Allora perché sono così popolari? Perché prende fuoco? Cosa possiamo davvero fare per prevenirlo o farlo durare? Stiamo analizzando la scienza e la sicurezza.
Vantaggi della densità energetica
La tecnologia agli ioni di litio è mainstream perché supera la chimica tradizionale in quasi tutti i parametri importanti per i consumatori.
Il primo è il peso. Una tipica batteria agli ioni di litio può immagazzinare 150 wattora di potenza in un solo chilogrammo. Rispetto ad altri tipi comuni, la differenza è enorme. Le batterie NiMH (nichel metallo idruro) possono immagazzinare 100 wattora per chilogrammo, ma 60-70 wattora sono più comuni. Batterie al piombo? Difficile immagazzinare 25 wattora per chilo.
Per ottenere la stessa energia dal piombo acido, è necessaria una batteria da 6 kg. Questa è una differenza di 6 volte. Gli elettrodi sono realizzati in leggero litio e carbonio. Il litio è molto reattivo. I suoi legami atomici immagazzinano grandi quantità di energia, conferendo alle batterie agli ioni di litio un’elevata densità energetica.
Nessun effetto memoria e autoscarica lenta
Peso a parte, queste batterie mantengono la carica molto meglio rispetto ai loro predecessori. Le batterie agli ioni di litio perdono solo circa il 5% della carica al mese. Le batterie NiMH perdono il 20% della loro carica. Se lasci i dispositivi da soli per un mese, non inizierai da zero.
Inoltre non esiste alcun effetto memoria. Non è necessario svuotarlo completamente prima della ricarica. Questa comodità ha cambiato il modo in cui utilizziamo i dispositivi elettronici portatili. Carica la tua batteria quando vogliamo, non perché la batteria lo richiede.
Le batterie agli ioni di litio possono sopportare centinaia di cicli di carica-scarica senza un degrado significativo. Per l’utente medio, questo significa anni di servizio affidabile.
I difetti: degrado e pericolo
Queste batterie non sono perfette. Hanno gravi debolezze.
Il deterioramento inizia non appena lascia la fabbrica. La durata delle batterie agli ioni di litio è di 2-3 anni dalla data di produzione. Anche se non lo apri, il tempo li uccide.
Il caldo è il loro nemico. Le alte temperature fanno sì che le batterie agli ioni di litio si consumino molto più velocemente del normale. Lasciare il telefono in un’auto calda può accorciarne la vita.
Le batterie agli ioni di litio si guastano se sono completamente scariche. Una scarica profonda distrugge le sostanze chimiche in modo permanente.
È inoltre necessario un computer di bordo per controllare l’unità. Ciò aggiunge costi e complessità. Le batterie agli ioni di litio richiedono questo sistema di gestione per prevenire il sovraccarico e lo scaricamento eccessivo. Questo le rende più costose delle semplici batterie.
C’è anche pericolo di incendio. Se la batteria agli ioni di litio non funziona, c’è una piccola possibilità che prenda fuoco. Questo non è solo un rischio teorico. Questo è un pericolo noto e i produttori lavorano costantemente per ridurlo.
Chimica interna
Per capire perché queste batterie si comportano in un certo modo, dobbiamo guardare al loro interno. La chimica determina tutto, dal motivo per cui qualcosa è leggero al motivo per cui esplode. Ne parleremo più avanti.
Non troverai nulla di magico smontando la batteria di un laptop. Sono solo cellule e circuiti. Questo non è raccomandato. Un cortocircuito nelle batterie agli ioni di litio può provocare un incendio. Ma una volta smontato in tutta sicurezza, scoprirai che la sua struttura interna è sorprendentemente coerente, indipendentemente dalla marca o dal modello.
Il nucleo è costituito da una batteria agli ioni di litio. Sono disponibili in due forme principali. Le batterie cilindriche sembrano batterie AA di grandi dimensioni. Le celle prismatiche sono rettangoli piatti. Sono impilati o avvolti all’interno di un guscio metallico. Quel guscio non è solo un imballaggio. Mantiene la pressione. Quando la pressione interna diventa troppo elevata a causa del calore o del sovraccarico, lo sfiato si apre. Rilascia gas. Dopodiché è probabile che la batteria sia scarica. Questo è un dispositivo di sicurezza. Evita scenari di esplosione. Sono disponibili anche interruttori a coefficiente di temperatura positivo (PTC). Interrompe l’alimentazione se le cose diventano troppo calde.
Ma la vera storia riguarda il controllore.
Cervello in un mattone
Sepolta tra le celle c’è una piccola scheda di sistema. Fondamentalmente è un microcontrollore. Questo Sistema di gestione della batteria si prende cura di tutto.
Il monitoraggio e il controllo includono:
- Sensore di temperatura controlla costantemente il livello di temperatura.
- Convertitori e regolatori di tensione mantengono la corrente e la tensione entro limiti di sicurezza.
- Connettore portatile protetto consente il flusso di alimentazione e dati tra la batteria e il portatile.
- Voltage Tap monitora la capacità energetica di ciascuna batteria.
- Monitoraggio dello stato di carica funziona come un mini computer. Regola il processo di download per massimizzare la velocità e la saturazione.
Questo computer è complesso. Funziona prelevando la propria energia dalla batteria. Le batterie agli ioni di litio hanno un basso consumo energetico e perdono circa il 5% della carica al mese quando non vengono utilizzate.
Perché la mia batteria è scarica?
Il sistema di gestione ha regole rigide. Se la batteria si surriscalda durante l’uso o la ricarica, il controller spegnerà l’alimentazione. Sta cercando di calmarsi. Potresti averlo già visto prima. Lascia il tuo laptop in un’auto calda. Prova ad accenderlo. Il controller della batteria impedisce l’avvio. Aspetta che la temperatura scenda.
Monitora anche la salute delle tue cellule. L’unità batteria si spegne quando la batteria è completamente scarica. Una scarica profonda può distruggere le batterie agli ioni di litio. Il controller non ti consentirà di utilizzare una confezione danneggiata.
Tiene traccia anche dei cicli di carica/scarica. Queste informazioni vengono inserite nel misuratore della batteria del laptop. In questo modo il sistema operativo sa quanta energia è rimasta. Questa non è una supposizione. Riceve dati in tempo reale dal computer di bordo.
La custodia in metallo è molto importante
L’involucro è solitamente in metallo. Questo non è arbitrario. Le batterie agli ioni di litio funzionano sotto pressione. Le custodie in metallo possono resistere a questa pressione. Protegge anche i componenti elettronici interni.
Il foro di ventilazione è fondamentale. È sensibile alla pressione. Se la batteria si surriscalda fino al punto di possibile esplosione, il gas in eccesso viene rilasciato attraverso le prese d’aria. Questa è una strada a senso unico. Una volta ventilato, il sigillo è rotto. La batteria è compromessa.
L’interruttore PTC funziona insieme allo sfiato. All’aumentare della temperatura, la resistenza aumenta per evitare il surriscaldamento. Ciò limita il flusso di corrente. Ciò consente di risparmiare tempo finché il sistema non si raffredda o l’utente non scollega il caricabatterie.
Queste caratteristiche di sicurezza sono il motivo per cui le batterie moderne non esplodono ogni volta che vengono caricate. Ma significano anche che le batterie sono più complesse del semplice accumulo di energia. È il principio attivo. Ci sto pensando. È deciso. In alcuni casi, ti potrebbe essere chiesto di attendere.
All’interno della cella
Rimuovi l’involucro di metallo per rivelare una lunga spirale. Non sono solo fili. Si ottiene premendo tre fette sottili strettamente insieme.
–Positivo
–Polo negativo
– separatore
Immergilo in un solvente organico. L’etere è molto comune qui. Il solvente svolge il lavoro pesante come elettrolita.
I separatori sono eroi non celebrati. Questo è un foglio di plastica microporosa. Sottile come carta velina. Il suo lavoro è semplice ma rigoroso. Impedisce che i terminali positivo e negativo si tocchino. Il contatto provoca un cortocircuito. Tuttavia, consente il passaggio degli ioni. Questi pori sono abbastanza piccoli da impedire il contatto fisico, ma abbastanza aperti da consentire al litio di nuotare.
La composizione chimica interna è specifica. Come elettrodo positivo viene utilizzato l’ossido di litio cobalto (LiCoO2). Elettrodo negativo? Solo carbonio.
Il bilanciamento cambia durante la ricarica. Gli ioni di litio escono da LiCoO2. Passano attraverso gli elettroliti. Atterrano sul carbonio.
Lo scarico inverte il flusso. Gli ioni ritornano dal carbonio al LiCoO2.
Questo è un ciclo semplice. Tuttavia, se commetti un errore, il tuo telefono brucerà.
Le reazioni chimiche all’interno di una batteria agli ioni di litio sono un gioco ad alta tensione. Ogni singola cella produce 3,7 volt. Questo numero è importante perché è più del doppio degli 1,5 volt di una batteria alcalina AA standard. Puoi acquistarli in qualsiasi negozio di alimentari. Una tensione più elevata significa che è necessario collegare meno batterie in serie per alimentare il dispositivo. Meno celle significano meno spazio fisico. Questa efficienza rende gli smartphone molto sottili e leggeri. Questa non è magia. Aumenta solo la densità energetica.
Vantaggi della tensione nella tecnologia portatile
Se hai mai paragonato un vecchio e goffo telefono a conchiglia a una moderna lastra di vetro, la differenza sta nella loro composizione chimica. Le batterie alcaline sono grandi. Sono necessarie più unità per ottenere le tensioni richieste per circuiti complessi. Le batterie agli ioni di litio possono svolgere la stessa funzione con una dimensione molto più piccola. Questo compatto è il motivo principale per cui disponiamo di dispositivi tascabili. Ma ci sono anche dei compromessi. Un’elevata densità di energia significa anche che viene rilasciata un’elevata energia se qualcosa va storto. Arriveremo presto alla parte dell’esplosione. Per prima cosa, scopriamo come farlo durare più a lungo.
Prolunga la durata della batteria
Vogliamo prolungare la durata delle batterie agli ioni di litio. Nessuno vuole portare con sé un mattone che cadrà a pezzi prima di mezzogiorno. L’obiettivo è prolungare la durata delle batterie agli ioni di litio senza complicare inutilmente le attività quotidiane. Questa sostanza chimica è sensibile al calore e alle condizioni di carica estreme.
– Evitare scarichi completi. ** Lasciare morire completamente il telefono può sforzare gli elettroliti.
– ** Non rimanere al 100% per sempre. ** La tensione massima accelera il degrado.
– Mantieni la calma. ** Il calore è il tuo nemico. Non lasciare il dispositivo in un’auto calda.
La maggior parte dei produttori consiglia di mantenere la carica tra il 20% e l’80% per l’uso quotidiano. Ciò non significa che sia perfetto. Ciò riduce lo stress sui componenti interni. Non sono necessarie applicazioni speciali per gestirlo. Rimuoverlo solo quando la batteria è quasi carica. Non scaricare a zero.
Perché le batterie agli ioni di litio esplodono?
Probabilmente hai sentito la storia. Il telefono è in fiamme. I portatili prendono fuoco. Sembra fantascienza. Ma questo è un grosso rischio per la chimica degli ioni di litio. Perché esplode?
La risposta sta negli elettroliti. Infiammabile. La fuga termica si verifica quando le strutture interne falliscono. Il calore si accumula. Il calore produce più calore. Il separatore tra anodo e catodo si scioglie. Le due parti si toccano. Si è verificato un cortocircuito. Gli elettroliti infiammabili possono incendiarsi.
Questo non accade spesso. I dispositivi moderni sono dotati di circuiti di sicurezza che interrompono l’alimentazione prima che si surriscaldino troppo. Ma quando la sicurezza viene compromessa, le conseguenze sono violente. La pressione all’interno della custodia chiusa aumenta. Alla fine il guscio si rompe. Avviene lo sfogo. Potrebbe verificarsi un’accensione.
Abbiamo esplorato come l’alta tensione può rendere queste batterie compatte ed efficienti. Abbiamo esaminato come allungare la loro durata di vita. Abbiamo già discusso dei pericoli dell’instabilità termica. La tecnologia è potente. È anche instabile. Esiste un delicato equilibrio tra prestazioni e sicurezza. Usiamo questi dispositivi ogni giorno. Hai fiducia che non bruceranno la tua casa. Nella maggior parte dei casi, questa fiducia è giustificata. Ma la chimica di fondo è ancora forte.
Massimizza la durata e la sicurezza della batteria
Le batterie agli ioni di litio sono costose. Se vuoi che il tuo prodotto duri più a lungo in garanzia, devi cambiare il modo in cui lo gestisci. Alla chimica non piacciono le scariche profonde. Predilige un ciclo di svuotamento parziale. Non ridurre la tensione a zero. Provoca danni permanenti alle cellule. Non ha “effetto memoria”, quindi la ricarica anticipata non danneggerà la batteria. Stai lontano dal fondo assoluto.
L’invecchiamento è inevitabile. Questi pacchetti durano dai due ai tre anni. Non raccogliere le batterie pensando che dureranno cinque anni, anche se non le hai mai collegate. No. Quando acquisti pezzi di ricambio, controlla la data di produzione. Lasciarlo sullo scaffale anche solo per un anno ne ridurrà la vita.
Il calore è il tuo nemico. Le alte temperature possono degradare rapidamente le prestazioni dei componenti interni. Mantieni il tuo dispositivo fresco.
Perché le batterie agli ioni di litio esplodono?
Sappiamo quanto durano. Consideriamo ora il motivo per cui a volte falliscono in modo catastrofico.
Un incendio scoppia quando la temperatura interna aumenta e l’elettrolita si accende. Lo dimostrano i video virali dei computer portatili che fumano, dimostrando la gravità del problema. Il rapporto della Canadian Broadcasting Corporation (CBC) “Summer of Laptop Explosions” descrive diversi incidenti di questo tipo.
Questi incendi sono solitamente causati da cortocircuiti interni. All’interno di una batteria agli ioni di litio, un separatore separa gli elettrodi positivi e negativi. Se il separatore si fora, gli elettrodi si toccheranno. Di conseguenza, si riscalda rapidamente. Probabilmente l’hai visto accadere quando hai una batteria da 9 volt in tasca. Se si cortocircuitano i terminali con una moneta, ecc., si genera una notevole quantità di calore.
Nelle batterie agli ioni di litio, questo cortocircuito si verifica internamente. La quantità di energia rilasciata è enorme. Il calore fa uscire il solvente organico utilizzato come elettrolita. Una scintilla o il calore ambientale possono provocare un incendio. Se una batteria prende fuoco, la cascata termica può estendersi ad altre parti della batteria. The whole unit goes up.
Fires are rare. Eppure, sono bastati pochi incidenti e qualche notizia per far scattare un importante richiamo.
Domande frequenti sulla tecnologia agli ioni di litio
Quanto dura una batteria agli ioni di litio?
Può supportare centinaia di cicli di ricarica. In realtà, la durata prevista è di 2-3 anni prima che la capacità si deteriori in modo significativo.
Cos’è esattamente una batteria agli ioni di litio?
Batteria ricaricabile nei laptop e nei telefoni cellulari. Quando gli ioni di litio si spostano dall’elettrodo negativo attraverso l’elettrolita all’elettrodo positivo, viene generata elettricità.
Quanto costano le batterie agli ioni di litio?
BloombergNEF riferisce che il costo medio nel 2020 è stato di 137 dollari per kilowattora. Le batterie degli smartphone costano tra i 2 e i 4 dollari. I pacchi batteria dei veicoli elettrici costano tra i 7.000 e i 20.000 dollari. I prezzi sono scesi di circa l’88% negli ultimi 10 anni e continueranno a scendere.
Quali sono i principali svantaggi?
A volte può prendere fuoco. Il tasso di fallimento è molto basso, circa due o tre pacchi per milione. È molto sensibile al calore, che ne accelera il deterioramento. L’invecchiamento inizia non appena esce dalla fabbrica. Il tempo non utilizzato non ferma l’orologio.
Esiste una tecnologia delle batterie migliore?
Non ancora. Attualmente non esiste altra tecnologia per batterie che possa competere con la tecnologia agli ioni di litio. Si ottiene una densità energetica più elevata. Supporta più cicli. It charges faster. E in molti casi sono più sicuri da usare rispetto alle alternative.
