Com’è fatta e come funziona una batteria a litio?

Le batterie al litio (o meglio, agli ioni di litio o Li-ion) le usiamo quotidianamente: sono batterie ricaricabili che troviamo negli smartphone, nei computer, anche nei veicoli elettrici e nei robot tagliaerba, ma il loro funzionamento esatto è sconosciuto alla maggior parte delle persone. Ciononostante, si stanno rivelando sempre più essenziali nella transizione energetica green, tanto che nel 2019 questa tecnologia ha portato il Premio Nobel per la Chimica a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, protagonisti con ricerche disgiunte avviate ancora negli anni Settanta.

Nel nostro viaggio alla scoperta della robotica per il verde, iniziato con una breve disamina su come funziona un robot tagliaerba, è pertanto necessaria una fermata per capire come funziona una batteria a litio. La seguente spiegazione vedrà alcune semplificazioni per rendere più rapida la comprensione del tema, evitando di scendere troppo nel dettaglio.

Com’è fatta la batteria al litio?

Nella nostra analisi faremo riferimento prevalentemente a un “pacco batteria”, un insieme di più celle collegate in serie, in parallelo o in entrambi i modi, sulla base di capacità e tensione. Ogni pacco si compone però di singole celle, le quali presentano quattro componenti chiave:

• Anodo, ovvero l’elettrodo negativo
• Catodo, l’elettrodo positivo
• Elettrolita, portatore di carica che consente agli ioni di litio di muoversi nella cella
• Separatore, solitamente tessuto non tessuto o fogli di polimero che lascia passare gli ioni di litio e impedisce cortocircuiti interni; la combinazione con un rivestimento ceramico rende il separator resistente a temperature molto elevate.

Dunque, ogni pacco batteria, presenta un componente elettrico a dir poco cruciale: il sistema di gestione della batteria, detto anche BMS (Battery Management System). Questa scheda elettronica analizza tutte le informazioni delle celle e opera come interfaccia tra la batteria e il dispositivo. Mediante il controllo dei parametri, interviene per prevenire rischi attraverso dispositivi di protezione, emettendo segnali di allarme e isolando le celle guaste. Inoltre, previene la scarica profonda, mantiene le celle bilanciate e prolunga la vita utile delle celle.

Come si ricaricano le batterie? Quando collegate alla fonte di energia elettrica, il catodo cede ioni di litio all’anodo attraverso il separatore, mentre gli elettroni arrivano dall’esterno (caricabatterie). Nel momento in cui la batteria cede energia avviene il processo inverso, ovvero gli ioni di litio attraversano il separatore dall’anodo al catodo, mentre gli elettroni passano dall’anodo al catodo attraverso il carico. La corrente, come la conosciamo noi, ha un movimento opposto a quello reale; non preoccupatevi, però, in quanto si tratta solamente di una interpretazione per convenzione storica.

Che celle vengono usate nelle attrezzature da giardinaggio?

Robot tagliaerba e attrezzature da giardinaggio a batteria si affidano comunemente alle celle IMR18650 e le IMR21700. Le sigle potrebbero spaventarvi, ma in realtà sono semplici da intendere: IMR è il codice prodotto che definisce celle composte da Ioni Litio, Manganese, e Ricaricabile. Si tratta quindi di batterie dalla composizione chimica leggermente diversa rispetto allo standard degli ioni di litio, avendo ossido di manganese al posto dell’ossido di cobalto. I numeri, invece, rappresentano diametro e lunghezza: nel caso della batteria 18650, che è di poco pià grande di una tradizionale AA, si intendono ad esempio 18mm di diametro e 65mm di lunghezza.

Le celle IMR18650 e le IMR21700 sviluppano 3,6v nominali, hanno capacità tra 1,5Ah e 5Ah e pesano rispettivamente circa 55 grammi e 70 grammi. Il loro raggruppamento porta a pacchi batteria da voltaggi differenti: solitamente si trovano soluzioni da 18V, 36V, 48V o 72V. Come si raggiungono questi valori? Collegando più celle in serie: con cinque si raggiungono 18V, con 10 si passa a 36V e con 20 a 72V. Si aumenta così la tensione nominale del pacco batteria, ma non gli Ampere Ora. Per ottenere una capacità maggiore, invece, bisogna collegare più stringhe di celle in parallelo. Come potrete intuire, per i pacchi da 18V bisogna lavorare a multipli di cinque, mentre per quelli da 72V si lavora a multipli di venti.

Come vengono tecnicamente definiti i pacchi batteria?

In chiusura a questa breve introduzione passiamo a una questione leggermente più complessa, utile alla distinzione tra pacchi batteria: come vengono definiti? Il modo migliore per illustrarlo è con esempi pratici: se vogliamo realizzare un pacco batteria da 18V servono minimo cinque celle in serie, la cui capacità può essere aumentata, ad esempio, collegando in parallelo quattro stringhe. Il risultato è una batteria 5s4p, ovvero con 5 serie e 4 paralleli.

Un pacco batteria da 36V ha invece bisogno di dieci celle in serie e, per espandere la capacità, possiamo arrivare a due gruppi collegati in parallelo: questa batteria è nota dunque come 10s2p. Un ultimo esempio lo offriamo con un pacco da 72V, il quale necessita di 20 celle in serie per una stringa, che può risultare sufficiente in capacità: in questo caso, si parla di una batteria 20s1p o, per comodità, 20s.

Avete compreso tutto fino a questo punto? Allora è il momento di capire cosa sono Volt, Ampere Ora e Watt, apprendendo al contempo vantaggi e svantaggi di tensioni maggiori o minori.