Batterie a ioni di litio:
energia di lunga durata

Nel 1990 la Sony introdusse in commercio un nuovo tipo di batteria per l'alimentazione di computers portatili, telefoni cellulari, videocamere ed altri dispositivi elettronici portatili. Questa batteria fu chiamata a ioni litio perché si basava sulla migrazione del Li⁺ da un elettrodo all'altro. Fu subito evidente che ci si trovava di fronte ad una svolta nel campo della batterie, in quanto la nuova fonte di energia presentava caratteristiche eccellenti in termini di ciclabilità, energia specifica e sicurezza.

Negli anni successivi altre industrie hanno commercializzato batterie a ioni litio. Si è calcolato che nel 1996 siano stati prodotti 177 milioni di batterie e che questa cifra raddoppierà nel 1997. Nonostante questa imponente produzione, la domanda è salita a livelli che ancora non possono essere del tutto soddisfatti. È significativo il fatto che nel 1996 la vendita di batterie litio-ione, di produzione giapponese, abbia raggiunto per la prima volta quella delle concorrenti nichel-cadmio e nichel-idruri. Inoltre, vanno citate le sperimentazioni della Nissan su veicoli elettrici dotati di batterie a ioni litio derivate da quelle prodotte per l'elettronica di consumo dalla Sony.

Il concetto di batterie a ioni litio, originariamente sviluppato in Giappone, è stato ripreso con varianti sui materiali attivi soprattutto negli USA, dove colossi come la Duracell e la Eveready sono entrati sul mercato. In Europa soprattutto la Varta e la SAFT sono state pronte ad inserirsi nella competizione, sia pure con limitati volumi produttivi.

Per quanto riguarda l'Italia, alcuni gruppi di ricerca che già erano attivi nel settore delle batterie avanzate, hanno ricevuto dal CNR fondi per investigare aspetti fondamentali e applicativi. Nel triennio 1994-1996 il Progetto Strategico "Batterie Leggere per Auto Elettrica" ha dedicato risorse rilevanti a progetti sullo studio di materiali per nuovi tipi di batterie a ioni litio. Prima di entrare nel dettaglio dei risultati ottenuti nell'ambito del Progetto Strategico, è da sottolineare che una delle sezioni in cui si articola l'Istituto Nazionale di Coordinamento "Materiali innovativi e tecnologie relative" (MITER), e più precisamente Materiali per Accumulo Energia, prevede la realizzazione di prototipi di queste batterie. Inoltre, lo studio di fattibilità dal Progetto Finalizzato "Materiali Speciali per Tecnologie Avanzate, II" include, fra i materiali e processi per accumulo di energia, la valutazione di quelli utilizzabili in questo tipo di batterie.

Fra i risultati più significativi finora conseguiti dalle ricerche finanziate dal Progetto Strategico vanno citati quelli relativi ad un nuovo tipo di batteria a ioni litio sviluppati presso il Centro di Studio per l'Elettrochimica e la Chimica Fisica delle Interfasi (CECFI) del CNR (Roma), in collaborazione con l'Istituto di Chimica dei Materiali (ICMAT) del CNR di Montelibretti. Alcuni ricercatori, sotto la guida dello scrivente, hanno investigato un nuovo materiale catodico e, con esso, hanno realizzato prototipi con interessanti caratteristiche.

Tra le applicazioni delle nuove batterie a ioni di litio vi sono i telefoni cellulari

Il principio generale di funzionamento di una batteria di questo tipo è mostrato in figura. Come accennato all'inizio, lo ione litio compie un lavoro di va-e-vieni fra il catodo e l'anodo, sia durante la carica sia durante la scarica. I catodi finora più largamente usati sono basati sull'ossido LiCoO₂, mentre è recente l'introduzione di LiMn₂O₄, più economico e sicuro. Quest'ultimo materiale, peraltro, ha la tendenza a dare valori di capacità (in mAh) decrescenti con numero dei cicli. Presso il CECFI è stato sperimentato un nuovo materiale catodico in cui parte di Mn in LiMn₂O₄ è stato sostituito con ioni dei metalli di transizione. In particolare, i buoni risultati ottenuti con lo spinello LiMn_2-xMn_xO₄ (con x < 0,1) hanno suggerito una richiesta di brevetto italiano (23/03/96), successivamente esteso all'estero (05/03/97).

Con il nuovo materiale catodico si ottengono capacità più stabili, soprattutto se la batteria opera a temperature maggiori di 50 °C e con alcuni periodi di inattività. Sono possibili diverse centinaia di cicli a correnti elevate (scarica di 1-2 ore), con proiezioni di energia specifica da 100-110 Wh/kg. Sono valori paragonabili a quelli delle batterie commerciali (ad esempio Sony), ma con la possibilità di produrle a costi inferiori per l'uso di un materiale catodico più economico. A partire dallo scorso anno, sono stati costruiti numerosi prototipi con progressivi sviluppi dei materiali attivi e ausiliari; senza voler entrare nei dettagli tecnici, si ritiene utile una breve descrizione della costruzione dei prototipi. L'elettrodo negativo si basa sulla grafite naturale altamente cristallina con piccole quantità (2-3%) di materiali leganti che aiutano a formare strati di ~100 micron su una lamina sottile (o rete) di rame. L'elettrodo positivo è basato, come detto su LiMn_2-xMn_xO₄ (con x~0,05) e viene supportato su lamina (o rete) d'alluminio in strati di 100-150 micron. Fra catodo e anodo si interpone uno strato di separatore (lana di vetro o polietilene microporoso) imbevuto di una soluzione non acquosa (ad esempio LiClO₄) in etilencarbonato/dimetilcarbonato. Il pacchetto elettrodi-separatore viene poi arrotolato ed inserito in un contenitore cilindrico. La soluzione viene aggiunta in atmosfera inerte, per evitare la contaminazione dovuta all'umidità atmosferica che porterebbe al deterioramento soprattutto della grafite. Una volta assemblata la cella, e prima della sua chiusura ermetica, si esegue un processo di formazione consistente in una carica lenta e conseguente deposizione sulla grafite di un film passivante che assicura la successiva ciclabilità della batteria. Durante questa fase si sviluppano gas (soprattutto CO₂) e per questo motivo la batteria viene sigillata solo a fine carica.

In alternativa alle batterie cilindriche, si sono costruite batterie rettangolari ('single-plate' o 'multi plate') con capacità variabili da pochi mAh a 400-500 Ah. Come indicato in precedenza, esse potrebbero essere usate in diversi dispositivi elettronici portatili, ma potrebbero risultare utili anche in altre applicazioni: sistemi antincendio, centraline telefoniche, luci di emergenza, memory back-up, ecc.

Le batterie cilindriche preparate presso il CECFI sono state sperimentate in particolare su telefoni cellulari. Esse hanno infatti superato i test eseguiti secondo il protocollo studiato per queste applicazioni che prevede l'erogazione, durante la chiamata, di correnti pari a 1/3 della capacità e di picchi di corrente (per un decimo del tempo) pari a 3 volte la capacità. Una batteria da 4 V e 400 mAh può sostenere picchi di 1,2 A grazie alla bassa resistenza interna. Ciò è legato sia alla buona conducibilità elettronica degli elettrodi sia alla elevata velocità di diffusione dello ione Li⁺ nelle loro strutture cristalline. L'uso di singole batterie a ioni litio da ~ 400 mAh e 4 V per telefoni cellulari si va estendendo, come dimostrano i recenti prodotti della Motorola.

Per concludere, la realizzazione sopra descritta rappresenta il primo esempio in Italia di batteria elettronica portatile, in particolare, per telefonia. È evidente che il suo completo sviluppo tecnologico non sarà possibile senza l'intervento di partners industriali. Solo essi infatti posseggono i macchinari, i processi e le risorse finanziarie che possono consentire il passaggio dei prototipi dal laboratorio alla linea di produzione. Al riguardo, si devono segnalare alcune manifestazioni di interesse da parte di aziende italiane produttrici di accumulatori.