Le batterie sono dispositivi che immagazzinano energia chimica e la convertono in energia elettrica quando necessario.
Esistono diverse tipologie di batterie, ognuna con caratteristiche specifiche, relativi vantaggi e svantaggi.
Ecco alcune delle principali tipologie di batterie:
- Batterie al piombo-acido;
- Batterie al nichel-cadmio (NiCd);
- Batterie al nichel-metallo idruro (NiMH);
- Batterie al litio-ion (Li-ion);
- Batterie al litio-polimero (LiPo);
- Batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4);
- Batterie al sodio-solforato (Na-S);
- Batterie a flusso;
- Batterie al sale fuso;
- Batterie al litio-solfuro.
Ogni tipo di batteria ha caratteristiche uniche che le rende adatta ad alcune applicazioni. La scelta della batteria, dunque, dipende dall’uso previsto, dalla densità di energia richiesta, e da tanti altri fattori, come il costo di produzione e il livello di sicurezza.
Batterie al piombo-acido
Le batterie al piombo-acido sono una delle tipologie più comuni e conosciute di batterie.
Sono state inventate nel 1859 da Gaston Planté e sono ancora utilizzate in molte applicazioni oggi.
Ecco alcune delle caratteristiche principali delle batterie al piombo:
- Composizione chimica: le batterie al piombo-acido contengono elettrodi di piombo (Pb) e piombo ossido (PbO2) immersi in un elettrolita di acido solforico (H2SO4);
- Applicazioni: sono comunemente utilizzate come batterie per i servizi nei veicoli a motore endotermico, dalle automobili ai veicoli commerciali. Sono anche utilizzate in sistemi di alimentazione di emergenza, impianti di telecomunicazioni, sistemi di sicurezza e golf cart, e tanto altro ancora.
- Tensione nominale: la tensione nominale di una singola cella al piombo-acido è di circa 2 volt, ma sono spesso accoppiate per creare batterie da 6, 12 o 24 volt a seconda dell’applicazione.
Vantaggi:
- Sono economiche da produrre e quindi più accessibili in termini di costo;
- Hanno una buona affidabilità e una lunga durata se mantenute correttamente;
- Sono robuste e possono gestire scariche profonde.
Svantaggi:
- Hanno una densità di energia relativamente bassa, il che significa che pesano molto per l’energia che possono immagazzinare;
- Sono pesanti e ingombranti rispetto ad altre tecnologie di batterie più moderne;
- Contengono acido solforico corrosivo, che può essere pericoloso in caso di perdite o danni;
- Richiedono una manutenzione regolare, inclusa la ricarica, la pulizia dei terminali e il monitoraggio del livello dell’acido;
- La durata delle batterie al piombo-acido può variare notevolmente in base all’uso e alla qualità della batteria, ma di solito hanno un numero limitato di cicli di carica/scarica rispetto alle batterie al litio, ad esempio.
Nonostante la loro longevità e la loro economia, le batterie al piombo-acido stanno gradualmente cedendo il passo a tecnologie più avanzate come le batterie al litio in molte applicazioni, grazie alla loro maggiore densità di energia, al peso ridotto, e all’assenza di manutenzione.
Tuttavia, le batterie al piombo-acido rimangono una scelta valida per alcune applicazioni specifiche, soprattutto quando è necessario un costo iniziale basso o quando è richiesta una maggiore robustezza.
Batterie al nichel-cadmio (NiCd)
Si tratta di un tipo di batteria ricaricabile che utilizza il nichel per l’elettrodo positivo (catodo), il cadmio per l’elettrodo negativo (anodo), e un elettrolita alcalino, solitamente idrossido di potassio (KOH), per consentire il flusso di ioni durante il processo di carica e scarica.
Vantaggi:
- Le batterie al Nichel e Cadmio sono conosciute per avere una lunga durata e possono sopportare molti cicli di carica/scarica (spesso più di 1000);
- Le NiCd funzionano bene a temperature estreme, sia calde che fredde, dunque sono adatte per applicazioni in ambienti difficili;
- Sono in grado di erogare correnti elevate, dunque adatte per dispositivi che richiedono picchi di potenza elevati;
- Le batterie NiCd non richiedono una manutenzione particolare, e il loro funzionamento è relativamente insensibile a scariche profonde;
- Le NiCd sono meno sensibili a sovraccarichi rispetto ad altre batterie ricaricabili, come le batterie al litio.
Svantaggi:
- Le batterie NiCd sono suscettibili all’effetto memoria, il che significa che se vengono ricaricate prima che siano completamente scariche, potrebbero perdere parte della loro capacità utile;
- Il cadmio è un metallo pesante tossico e dannoso per l’ambiente, quindi le batterie NiCd possono essere problematiche dal punto di vista ambientale se non vengono smaltite correttamente;
- Le NiCd hanno una densità di energia inferiore rispetto a molte altre tecnologie di batterie moderne, come le batterie al litio-ion, il che significa che contengono meno energia per unità di peso e volume;
- Le NiCd possono avere un’efficienza di carica/scarica leggermente inferiore rispetto ad altre batterie più moderne;
- Le batterie NiCd stanno diventando obsolete a causa delle loro limitazioni, della tossicità del cadmio e della concorrenza di tecnologie più avanzate come le batterie al litio e le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH).
A causa della tossicità del cadmio e delle loro limitazioni, le batterie al nichel-cadmio sono state in gran parte sostituite da batterie NiMH e batterie al litio in molte applicazioni, ma possono ancora trovare utilizzo in applicazioni specifiche dove la loro robustezza e lunga durata possono essere vantaggiose.
Batterie al nichel-metallo idruro (NiMH)
Si tratta di un tipo di batteria ricaricabile che utilizza un elettrodo positivo al nichel-ossido idruro (Ni(OH)2) e un elettrodo negativo al metallo idruro (MH) come anodo, immersi in un elettrolita alcalino come idrossido di potassio (KOH).
Vantaggi:
- Le batterie NiMH sono meno dannose per l’ambiente rispetto alle batterie al nichel-cadmio (NiCd), poiché non contengono cadmio tossico;
- Le NiMH hanno una densità di energia più elevata rispetto alle NiCd, il che significa che possono immagazzinare più energia per unità di peso e volume;
- Possono sopportare un numero significativo di cicli di carica/scarica (generalmente oltre 500) a seconda delle condizioni di utilizzo;
- Le batterie NiMH hanno una bassa velocità di autoscarica rispetto ad altre tecnologie come, ad esempio, le batterie al nichel-cadmio: questo significa che mantengono la loro carica per un periodo più lungo quando non sono in uso;
- Sono notoriamente affidabili e stabili, con un funzionamento sicuro e una bassa probabilità di sovraccarico o surriscaldamento, se ricaricate correttamente;
- Le NiMH sono generalmente più economiche rispetto alle batterie al litio, il che le rende una scelta conveniente per molte applicazioni.
Svantaggi:
- Anche se meno pronunciato rispetto alle batterie NiCd, le NiMH possono comunque essere soggette all’effetto memoria quando vengono ricaricate prima che siano completamente scariche. Questo effetto, tuttavia, è meno accentuato rispetto alle batterieNiCd;
- Nonostante una densità di energia più alta rispetto alle NiCd, le batterie NiMH hanno una densità di energia inferiore rispetto alle batterie al litio; questo le rende meno adatte per applicazioni in cui lo spazio e il peso sono critici;
- Nonostante abbiano una bassa autoscarica rispetto ad alcune altre batterie, le NiMH tendono comunque a scaricarsi lentamente nel tempo quando non sono in uso;
- La velocità di ricarica delle NiMH è generalmente più lenta rispetto alle batterie al litio, il che può essere un inconveniente in alcune situazioni.
Le batterie NiMH sono spesso utilizzate in dispositivi portatili come telefoni cordless, fotocamere digitali, giocattoli, strumenti elettrici e apparecchiature elettroniche di consumo.
Sono una scelta popolare per applicazioni in cui è richiesta una maggiore capacità rispetto alle batterie al nichel-cadmio e un costo inferiore rispetto alle batterie al litio.
Batterie al litio-ion (Li-ion)
Sono, allo stato attuale,le batterie ricaricabili più comuni, e vengono utilizzate in una vasta gamma di prodotti, dagli smartphone ai veicoli elettrici (auto, moto, e veicoli commerciali).
Vantaggi:
- Le batterie al litio offrono una delle più alte densità di energia tra le batterie. Sono in grado di immagazzinare una grande quantità di energia per unità di peso e volume, dunquesono ideali per dispositivi portatili che richiedono una lunga durata della batteria;
- Le batterie al litio sono leggere, dunque adatte per applicazioni in cui il peso è critico, come smartphone, laptop e droni;
- Le Li-ion hanno una bassa velocità di autoscarica, il che significa che mantengono la loro carica per un periodo più lungo quando non sono in uso rispetto ad alcune altre tecnologie di batterie;
- Le Li-ion hanno un’efficienza di carica/scarica elevata, il che significa che trasformano una quantità minima di energia in calore durante tale processo, riducendo le perdite;
- Le batterie Li-ion sono ampiamente disponibili e vengono utilizzate in una vasta gamma di dispositivi elettronici, il che le rende facili da sostituire e reperire;
- Le batterie Li-ion possono sopportare scariche profonde senza subire danni irreparabili, il che le rende più resistenti a situazioni in cui la carica viene esaurita completamente.
Svantaggi:
- Produrle è costoso, e questo può influire sul costo dei dispositivi che le utilizzano;
- Nel corso del tempo, le batterie Li-ion invecchiano e perdono gradualmente capacità. Questo è un problema comune con tutte le batterie al litio e richiede periodicamente la sostituzione della batteria;
- Le batterie Li-ion possono subire danni se vengono sottoposte a temperature estreme, sia calde sia fredde, e questo può influire sulla loro durata e prestazioni;
- Le batterie Li-ion possono surriscaldarsi o addirittura prendere fuoco in situazioni estreme, come danni fisici o esposizione al calore eccessivo. Tuttavia gli sviluppatori di batterie hanno implementato diverse misure di sicurezza per mitigare questo rischio;
- Anche se meno pronunciato rispetto alle batterie NiCd, le Li-ion possono sviluppare leggeri effetti memoria se non vengono caricate e scaricate correttamente.
Nonostante gli svantaggi, le batterie al litio-ion sono ampiamente utilizzate in una vasta gamma di dispositivi, tra cui smartphone, laptop, droni, veicoli elettrici e molto altro, grazie alla loro alta densità di energia e leggerezza. È però importante seguire certe regole per massimizzarne la durata e garantire una sicurezza adeguata.
Batterie al litio-polimero (LiPo)
Sono batterie ricaricabili che condividono alcune similitudini con le più comuni batterie al litio-ion (Li-ion), ma presentano alcune differenze chiave.
Vantaggi:
- Le batterie LiPo offrono un’alta densità di energia, simile o superiore a quella delle batterie Li-ion, il che le rende adatte per dispositivi portatili che richiedono una lunga durata della batteria;
- A differenza delle batterie Li-ion, le LiPo possono essere realizzate in diverse forme e dimensioni, grazie alla loro struttura flessibile. Ciò le rende adatte per applicazioni in cui è richiesta una forma personalizzata o complessa, come droni, aeromodelli e dispositivi indossabili;
- Le batterie LiPo sono leggere, il che le rende ideali per applicazioni in cui il peso è un fattore critico, come aeromodelli e veicoli aerei senza pilota (UAV);
- Le LiPo hanno un’efficienza di carica/scarica elevata, il che significa che trasformano una quantità minima di energia in calore durante il processo di carica e scarica, riducendo le perdite;
- Alta potenza: le LiPo sono in grado di erogare correnti elevate, rendendole adatte per dispositivi che richiedono picchi di potenza elevati, come droni e aeromodelli.
Svantaggi:
- Le batterie LiPo possono subire danni se vengono esposte a temperature estreme, sia calde sia fredde. Il surriscaldamento o il raffreddamento eccessivo possono ridurre la loro durata e prestazioni;
- Come molte altre batterie al litio, le LiPo tendono a scaricarsi lentamente nel tempo quando non sono in uso;
- Le batterie LiPo possono essere sensibili a danni fisici o cortocircuiti, e questo può causare surriscaldamento, incendi e, nel peggiore dei casi, un’esplosione. La gestione, dunque, dev’essere accorta;
- Nel corso del tempo, le batterie LiPo invecchiano e perdono gradualmente capacità. Richiedono una sostituzione periodica per mantenere prestazioni ottimali;
- Le batterie LiPo richiedono spesso caricabatterie specifici in grado di monitorare e controllare la carica in modo sicuro.
Nonostante gli svantaggi, le batterie LiPo sono molto popolari in applicazioni come droni, aeromodelli, veicoli radiocomandati e dispositivi indossabili, dove la loro forma flessibile, leggerezza e alta potenza sono particolarmente vantaggiose. È essenziale utilizzare e gestire le batterie LiPo in modo sicuro e attenersi alle raccomandazioni del produttore per evitare incidenti e prolungarne la vita utile.
Batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4)
Quelle al litio-ferro-fosfato (LiFePO4), spesso abbreviate come batterie LFP o LiFePO, sono batterie al litio-ion che utilizzano il fosfato di ferro come materiale catodico. Questa tecnologia è nota per alcune caratteristiche distintive.
Vantaggi:
- Le batterie LiFePO4 sono considerate tra le più sicure tra le tecnologie al litio-ion. Sono meno inclini al surriscaldamento e all’incendio rispetto ad altre batterie al litio come le Li-ion o le LiPo;
- Le batterie LiFePO4 possono sopportare un numero elevato di cicli di carica/scarica( generalmente più di 2.000) prima di raggiungere una capacità significativamente ridotta, e questo le rende una scelta duratura per molte applicazioni;
- Le batterie LiFePO4 funzionano bene a temperature estreme, sia in condizioni di caldo sia di freddo, dunque sono adatte per applicazioni in cui la temperatura ambientale è variabile;
- Sono in grado di accettare correnti di carica elevate, e questo consente tempi di ricarica più brevi rispetto ad altre batterie al litio;
- Le LiFePO4 sono chimicamente stabili e meno sensibili a sovraccarichi rispetto ad alcune altre tecnologie al litio come le Li-ion;
- Hanno un’efficienza di carica/scarica elevata, ovvero trasformano una quantità minima di energia in calore durante il processo di carica e scarica riducendo le perdite.
Svantaggi:
- Le batterie LiFePO4 hanno una densità di energia leggermente inferiore rispetto a molte batterie al litio-ion, ovvero contengono meno energia per unità di peso e volume;
- Sono più pesanti rispetto ad alcune altre tecnologie al litio, come le Li-ion e le LiPo, e questo influisce sulla portabilità in alcune applicazioni;
- Le batterie LiFePO4 tendono a essere più costose da produrre rispetto ad alcune altre tecnologie al litio, anche se possono essere più vantaggiose a lungo termine grazie alla lunga durata;
- Le batterie LiFePO4 hanno una tensione nominale di circa 3,2 V per cella, mentre molte altre tecnologie al litio hanno una tensione nominale di circa 3,6 V. Questo può richiedere modifiche nelle applicazioni che utilizzano tensioni specifiche.
Le batterie al litio-ferro-fosfato sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, tra cui sistemi di stoccaggio di energia, veicoli elettrici, sistemi di alimentazione di emergenza, apparecchiature industriali e altro ancora, grazie alla loro affidabilità e sicurezza.
Sono particolarmente adatte per applicazioni in cui la sicurezza e la longevità sono aspetti essenziali.
Batterie al sodio-solforato (Na-S)
Sono batterie alcaline ad alta temperatura che utilizzano il sodio (Na) come anodo e lo zolfo (S) come catodo.
Questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo ed è considerata una delle potenziali candidature per il futuro dello stoccaggio dell’energia.
Vantaggi:
- Le batterie Na-S hanno il potenziale per offrire una densità di energia molto elevata, superiore a molte altre tecnologie di batterie, comprese le batterie al litio-ion;
- Il sodio e lo zolfo sono materiali abbondanti ed economici, il che potrebbe ridurre i costi di produzione delle batterie Na-S rispetto alle tecnologie basate su materiali più rari come il litio o il cobalto;
- Sono generalmente considerate più sicure rispetto alle batterie al litio-ion, in quanto non contengono materiali altamente reattivi come il litio o il cobalto e non sono soggette a rischi di incendio o esplosioni;
- Le batterie Na-S funzionano bene a temperature elevate, e questo le rende adatte per applicazioni in ambienti ad alta temperatura;
- Hanno il potenziale per una lunga durata se gestite correttamente, con un numero elevato di cicli di carica/scarica.
Svantaggi:
- Le batterie Na-S richiedono una temperatura di esercizio relativamente elevata, generalmente intorno ai 300-350°C. Questo può complicare la gestione termica e limitare le applicazioni in cui possono essere utilizzate;
- L’alta temperatura e la presenza di sodio possono causare problemi di corrosione e degradazione dei componenti della batteria, e questo può influire sulla loro durata;
- Possono essere più complesse e costose da produrre rispetto a molte altre tecnologie di batterie, a causa della necessità di mantenere temperature elevate e di gestire i materiali reattivi;
- La tecnologia delle batterie al sodio-solforato è ancora in fase di sviluppo e non è ancora ampiamente disponibile sul mercato. Ci sono sfide tecniche da superare prima che possano essere utilizzate su larga scala.
Le batterie al sodio-solforato potrebbero essere una valida alternativa alle batterie al litio-ion, soprattutto per applicazioni che richiedono una densità di energia elevata e in cui la temperatura elevata non è un problema critico.
Batterie a flusso
Le batterie a flusso, anche conosciute come batterie a flusso redox, immagazzinano energia chimica in soluzioni elettrolitiche e la rilasciano attraverso reazioni redox.
Queste batterie sono particolarmente adatte per lo stoccaggio di energia a lungo termine e sono utilizzate in applicazioni in cui è richiesta una grande capacità e flessibilità di gestione. Ecco una descrizione dei vantaggi e degli svantaggi delle batterie a flusso:
Vantaggi:
- Una delle caratteristiche più distintive delle batterie a flusso è la loro scalabilità.
La capacità di stoccaggio dell’energia può essere aumentata semplicemente regolando la quantità di elettrolita, il che le rende adatte per applicazioni che richiedono una capacità molto elevata, come il bilanciamento della produzione di energia da fonti rinnovabili intermittenti; - Le batterie a flusso sono progettate per avere una vita utile molto lunga, poiché le reazioni redox non causano danni significativi ai materiali.
Possono sopportare migliaia di cicli di carica/scarica senza una significativa degradazione delle prestazioni; - Possono tollerare scariche profonde senza danni, e questo le rende adatte per applicazioni in cui è richiesta una grande flessibilità nell’uso dell’energia;
- Sono considerate sicure, in quanto non contengono materiali pericolosi o altamente reattivi come il litio o il cadmio;
- Hanno una bassa velocità di autoscarica, il che significa che mantengono la loro carica per un lungo periodo di tempo quando non sono in uso.
Svantaggi:
- Le batterie a flusso sono spesso voluminose e pesanti rispetto ad alcune altre tecnologie di batterie, e questo può influire sulla loro portabilità e sulla necessità di spazio per l’installazione;
- Le batterie a flusso tendono a avere un’efficienza energetica inferiore rispetto ad alcune altre tecnologie di batterie, poiché una parte dell’energia viene dissipata sotto forma di calore durante il processo di carica/scarica;
- L’installazione di un sistema di batterie a flusso può essere costosa a causa della necessità di componenti come pompe e serbatoi per l’elettrolita, oltre all’elettrolita stesso;
- Manutenzione: possono richiederne molta per la sostituzione dell’elettrolita, al fine di mantenere prestazioni ottimali.
Le batterie a flusso sono particolarmente adatte per applicazioni di stoccaggio dell’energia su larga scala, come impianti di accumulo di energia da fonti rinnovabili o sistemi di alimentazione di emergenza. Allo stato dell’arte, iloro costi iniziali e la complessità possono limitarne l’uso in applicazioni più piccole o portatili.
Batterie al sale fuso
Le batterie al sale fuso, anche conosciute come batterie a flusso di elettrolita liquido o batterie al sale fuso di metallo, utilizzano elettroliti fusi al posto delle soluzioni elettrolitiche convenzionali.
Queste batterie sono ancora in fase di sviluppo e sperimentazione, ma mostrano un grande potenziale in molte applicazioni di stoccaggio dell’energia.
Vantaggi:
- Le batterie al sale fuso possono offrire una densità di energia molto elevata, e questo le rende adatte per applicazioni che richiedono una grande capacità di stoccaggio dell’energia;
- Possono avere una vita utile molto lunga, poiché le reazioni redox che avvengono all’interno delle batterie al sale fuso sono generalmente poco dannose per i materiali e possono sopportare un alto numero di cicli di carica/scarica;
- Funzionano bene a temperature estreme, sia in condizioni di caldo sia di freddo, e questo le rende adatte per applicazioni in cui la temperatura ambientale è variabile;
- Possono tollerare scariche profonde senza danni significativi, e questole rende adatte per applicazioni in cui è richiesta una grande flessibilità nell’uso dell’energia;
- Sono considerate sicure, in quanto non contengono materiali altamente reattivi come il litio o il cadmio: sono meno suscettibili al surriscaldamento e meno infiammabili.
Svantaggi:
- Le batterie al sale fuso possono essere complesse e costose da produrre a causa della necessità di componenti specializzati, come serbatoi di sale fuso e pompe per il flusso dell’elettrolita;
- Sono spesso voluminose e pesanti rispetto ad altre batterie, e questo influisce sulla loro portabilità e sulla necessità di spazio per l’installazione;
- Possono avere un’efficienza energetica inferiore rispetto ad altre batterie, poiché buona parte dell’energia viene dissipata sotto forma di calore durante il processo di carica/scarica;
- La tecnologia delle batterie al sale fuso è ancora in fase di sviluppo ed è meno matura rispetto a tecnologie più consolidate, come le batterie al litio-ion.
Le batterie al sale fuso stanno guadagnando attenzione come potenziale alternativa alle batterie al litio-ion e ad altre tecnologie, soprattutto per applicazioni di stoccaggio dell’energia su larga scala come impianti di accumulo di energia da fonti rinnovabili o sistemi di alimentazione di emergenza.
Batterie al litio-solfuro
Si tratta di un tipo di batteria avanzata che utilizza zolfo (S) come catodo e litio (Li) come anodo.
Questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo ed è oggetto di ricerca attiva poiché presenta alcune promettenti caratteristiche.
Vantaggi:
- Le batterie Li-S possono potenzialmente offrire una densità di energia molto elevata, superiore a molte altre batterie, comprese quelle al litio-ion. Questo le rende promettenti per applicazioni in cui è richiesta una grande capacità di stoccaggio dell’energia;
- Il litio e lo zolfo sono materiali abbondanti ed economici, e questo potrebbe ridurre i costi di produzione rispetto alle tecnologie basate su materiali più rari come il litio e il cobalto;
- Le batterie Li-S hanno il potenziale per essere più leggere rispetto a molte altre tecnologie grazie al peso relativamente basso dello zolfo;
- Hanno una bassa velocità di autoscarica, ovvero mantengono la loro carica per un lungo periodo di tempo quando non sono in uso;
- Possono potenzialmente accettare correnti di carica elevate, consentendo tempi di ricarica più brevi rispetto ad altre batterie.
Svantaggi:
- Le batterie Li-S possono soffrire di problemi di stabilità legati alle reazioni chimiche complesse che avvengono durante la carica e la scarica.
Questi problemi possono causare una degradazione prematura della batteria e la perdita di capacità; - Le batterie Li-S possono essere sensibili alle temperature estreme, e questo può influire sulla loro durata e sulle prestazioni. Inoltre richiedono temperature elevate per funzionare in modo ottimale;
- Alcuni cicli di carica/scarica possono causare una significativa degradazione delle prestazioni e una perdita di capacità, limitando la loro vita utile complessiva;
- La tecnologia delle batterie al litio-solfuro è ancora in fase di sviluppo ed è meno matura rispetto a tecnologie più consolidate come le batterie al litio-ion.
Le batterie al litio-solfuro sono oggetto di ricerca intensiva e promettono di offrire una densità di energia eccezionalmente alta, che le rende interessanti per applicazioni come i veicoli elettrici e lo stoccaggio dell’energia da fonti rinnovabili.
