Differenze tra batterie ai polimeri e batterie al litio: Qual è la migliore?

Panoramica delle batterie ai polimeri di litio

Le batterie agli ioni di litio sono classificate in batterie agli ioni di litio liquide e batterie agli ioni di litio polimeriche (o batterie agli ioni di litio plastiche) in base al materiale elettrolitico utilizzato. Entrambi i tipi utilizzano gli stessi materiali per elettrodi positivi e negativi: gli elettrodi positivi includono l'ossido di cobalto di litio, l'ossido di manganese di litio, i materiali ternari o il fosfato di ferro di litio, mentre l'elettrodo negativo è tipicamente la grafite. I principi di funzionamento sono fondamentalmente gli stessi. La differenza principale risiede nell'elettrolita: le batterie agli ioni di litio liquide utilizzano un elettrolita liquido, mentre le batterie agli ioni di litio polimeriche utilizzano un elettrolita polimerico solido, che può essere "secco" o "gel". Attualmente, la maggior parte delle batterie agli ioni di litio polimeriche utilizza un elettrolita polimerico gel.

Classificazione

1. Batteria agli ioni di litio con elettrolita solido polimerico: L'elettrolita è una miscela di polimero e sale che offre un'elevata conducibilità ionica a temperatura ambiente, rendendolo adatto all'uso in ambiente.
2. Batteria agli ioni di litio con elettrolita ai polimeri di gel: Gli additivi, come i plastificanti, sono incorporati nell'elettrolita polimerico solido per aumentare la conducibilità ionica, consentendo l'uso a temperatura ambiente.

Rispetto alle batterie agli ioni di litio liquide, le batterie agli ioni di litio polimeriche, che utilizzano un elettrolita solido, offrono vantaggi quali profili più sottili, forme personalizzabili e dimensioni variabili. Possono essere racchiuse in pellicole composite di alluminio e plastica, migliorando la capacità specifica. Inoltre, le batterie agli ioni di litio polimeriche possono utilizzare polimeri come materiali per elettrodi positivi, aumentando potenzialmente l'energia specifica di oltre 20% rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio liquide. Queste batterie sono caratterizzate da miniaturizzazione, sottigliezza e leggerezza, che ne determinano la crescente quota di mercato.

Caratteristiche

Le batterie polimeriche agli ioni di litio presentano le seguenti caratteristiche:

1. Modellazione flessibile
2. Energia specifica più elevata (3 volte quella delle batterie Ni-MH)
3. Ampia finestra di stabilità elettrochimica (fino a 5 V)
4. Sicurezza e affidabilità eccellenti
5. Ciclo di vita più lungo con perdita di capacità minima
6. Efficienza ad alto volume

Principio della batteria al litio polimerica

Le batterie agli ioni di litio si dividono in batterie agli ioni di litio liquide (LIB) e batterie agli ioni di litio polimeriche (PLB). Le batterie agli ioni di litio liquide utilizzano composti di intercalazione di Li+ come elettrodi positivi e negativi. L'elettrodo positivo utilizza tipicamente composti di litio come LiCoO2, LiNiO2 o LiMn2O4, mentre l'elettrodo negativo utilizza composti di intercalazione litio-carbonio (LixC6). Un tipico sistema di batterie è: (-) C | LiPF6-EC+DEC | LiCoO2 (+)

Reazione dell'elettrodo positivo (riduzione): Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2 (2.1) Reazione dell'elettrodo negativo (ossidazione): LixC6 - xe- = 6C + xLi+ (2.2) Reazione complessiva della batteria: Li1-xCoO2 + LixC6 = LiCoO2 + 6C (2.3)

Il principio delle batterie agli ioni di litio polimeriche è identico a quello delle batterie agli ioni di litio liquide, con la principale differenza dell'elettrolita. Una batteria agli ioni di litio polimerica utilizza un elettrolita polimerico solido o gel o un elettrolita organico. Gli elettroliti liquidi o in gel delle batterie agli ioni di litio tradizionali richiedono un robusto imballaggio secondario per contenere i componenti attivi infiammabili, aumentando il peso e limitando la flessibilità delle dimensioni.

Le batterie agli ioni di litio polimeriche di nuova generazione possono essere ultra-sottili (fino a 0,5 mm, pari allo spessore di una carta), con forme e dimensioni personalizzabili, migliorando notevolmente la flessibilità di progettazione. Ciò consente ai produttori di adattare le batterie ai requisiti specifici dei prodotti, ottimizzando le prestazioni. Le batterie agli ioni di litio polimeriche offrono inoltre un miglioramento di 20% nella densità energetica rispetto alle batterie agli ioni di litio standard, oltre a migliorare la capacità e le prestazioni ambientali.

Differenze tra batterie ai polimeri e batterie al litio: Qual è la migliore?

Le batterie ai polimeri sono generalmente superiori, in quanto le batterie al litio tradizionali sono quasi obsolete. Le batterie al litio utilizzano il litio metallico come elettrodo negativo; le prime sono state quelle al biossido di litio e manganese, che funzionano attraverso una reazione redox: Li + MnO2 = LiMnO2. Le batterie al litio metallico hanno in genere una tensione di circa 3,0-3,6 V, a seconda del materiale dell'elettrodo positivo. Oggi le batterie al litio metallico sono utilizzate principalmente nelle pile a bottone, in quanto sono state ampiamente sostituite dalle batterie agli ioni di litio polimeriche o liquide. Il litio è un metallo altamente reattivo, ancor più del sodio, che perde facilmente elettroni e subisce l'ossidazione. Nell'aria, il litio reagisce quasi istantaneamente e, storicamente, le batterie al litio sono state utilizzate per appiccare incendi nelle zone selvagge rompendole, poiché il litio reagisce con l'aria rilasciando un calore significativo, evidenziando la loro pericolosità intrinseca.

A differenza delle batterie al litio, le batterie agli ioni di litio non contengono litio metallico. Per funzionare, si affidano agli ioni di litio che si muovono tra gli elettrodi positivi e negativi. Durante la carica, gli ioni Li+ si deintercalano dall'elettrodo positivo e si incorporano nell'elettrodo negativo, che diventa ricco di litio; durante la scarica, il processo si inverte. Le batterie ai polimeri sono un tipo di batteria agli ioni di litio che condivide lo stesso principio, ma utilizza un elettrolita polimerico solido o in gel anziché liquido. Ciò le rende più sicure e consente di realizzare progetti più piccoli e flessibili.

Cosa è meglio?

Le batterie polimeriche agli ioni di litio sono superiori grazie alla loro sicurezza, flessibilità, maggiore densità energetica e maggiore durata dei cicli. I loro elettroliti solidi o gel eliminano i rischi associati agli elettroliti liquidi, come le perdite o l'infiammabilità, e consentono forme più sottili e personalizzabili. Mentre le batterie al litio-metallo sono oggi limitate ad applicazioni di nicchia, come le pile a bottone, a causa della loro reattività e dei problemi di sicurezza, le batterie agli ioni di litio polimeriche sono la scelta preferita per le applicazioni moderne, in quanto offrono migliori prestazioni e versatilità di progettazione.