BATTERIE: non solo Litio nel futuro dell' alimentazione mobile
Nel campo dei dispositivi elettronici mobili, gli smartphone rappresentano sicuramente la punta dell'iceberg.
Questi dispositivi possono vantare una potenza di elaborazione e una capacità di memoria assimilabile a quelle di PC e MAC di pochi anni fa.
Un iPhone 6S è equipaggiato con un processore a 64 bit (1,8 GHz), oltre a 2 GByte di RAM e 128 GByte di flash. Ma anche gli attuali smartphone hanno il loro tallone di Achille: i dispositivi di alimentazione.
Questi ultimi non sono stati in grado di seguire l'incremento della potenza di elaborazione previsto dalla legge di Moore: nella migliore delle ipotesi la densità di energia delle batterie agli ioni di litio è aumentata di circa il 7% su base annua
L'iPhone originale con
processore a 32 bit (620 MHz), 128 Mbyte di RAM e 16Gbyte di flash - aveva una batteria da 5,18 Wh, mentre l'attuale versione 6S prevede una batteria da 6,55 Wh. La densità di energia della batteria (a parità di dimensioni) è aumentata solo del 26% in otto anni.
La batteria di un iPhone 6S ha una capacità di 1715 mAh, sufficienti per 11 ore di navigazione in Internet o di riproduzione di filmati ad alta risoluzione. Un livello di prestazioni elevato ma non sufficiente per soddisfare le esigenze degli odierni utilizzatori.
Lo sviluppo delle batterie a ioni di litio...
Per sviluppare una tecnologia agli ioni di litio affidabile ci sono voluti all'incirca 40 anni. I composti di intercalazione del litio come ad esempio il diossido di cobalto (LiCoO2), scarsamente reattivo, è una sorgente di ioni di litio in grado di sostituire gli elettrodi in litio metallico dei dispositivi delle prime generazioni conferendo una maggior sicurezza alle batterie.
Nelle moderne batterie il LiCo02 è usato per l'elettrodo positivo mentre per quello negativo si ricorre al carbonio sotto forma di grafite. Il successo delle batterie a ioni di litio è dovuto al fatto che questo metallo abbina un'elevata carica positiva a un peso ridotto, caratteristica questa che permette di immagazzinare più energia per chilo-grammo rispetto a qualsiasi altro metallo (circa 43,1 MJ/kg rispetto ai 2,9 MJ/kg del piombo).
Durante la carica, gli ioni di lino sono dotati di energia e si spostano dal LiCo02 al carbonio. Quando la batteria è in esercizio gli ioni si spostano in direzione opposta liberando elettroni che viaggiano lungo il circuito nella direzione opposta per alimentare il carico (vedi figura).
La fragilità è uno dei punti deboli delle batterie a ioni di litio. Ogni volta che gli ioni sono spostati, alcuni reagiscono con gli elettrodi rimanendo intrappolati per sempre nel materiale. Alla fine il rifornimento di ioni cessa e la batteria si guasta.
Ogni ciclo di carica, inoltre, provoca un'espansione volumetrica degli elettrodi che a sua volta produce sollecitazioni della struttura e causa danneggiamenti microscopici, diminuendo la capacità di immagazzinamento degli ioni. Senza dimenticare che una carica eccessiva può "forzare" un numero così grande di ioni nell'elettrodo da produrre la disintegrazione del materiale.
Batterie al litio: la prossima generazione
Le batterie litio-zolfo (Li-S) sfruttano gli sviluppi in numerosi campi - materiali, elettrodi tridimensionali e nanomateriali - per migliorare le odierne batterie agli ioni di litio. Queste batterie sono ora utilizzate nei veicoli elettrici ma l'obiettivo è ridurne le dimensioni per consentirne l'uso in prodotti mobili come gli smartphone.
L'elettrodo negativo è formato da litio mentre il catodo è formato da ossido di litio (L202) in contatto con zolfo attivo. Questa tecnologia è in grado di garantire un'elevata densità di energia, 500 Wh/kg, contro i 200 Wh/kg per una batteria a ioni di lino. Il progetto ALISE (Advanced Lithium Sulphur Bat-teries for Hybrid Electric Vehicle) finanziato dalla comunità europea ha come obbiettivo lo sviluppo di una batteria Li-S da 500 Wh/h (inizialmente per applicazioni nei veicoli elettrici) entro il 2019.
Non solo batteria
Altre fonti promettenti per l'immagazzinamento della potenza sono i supercondensatori e le celle a combustibile. Un supercondensatore è un condensatore elettrochimico di elevata capacità. I supercondensatori sono caratterizzati da una capacità di immagazzinamento di energia e da una densità di potenza nettamente superiori rispetto ai condensatori tradizionali e rappresentano una valida soluzione per applicazioni dove sono previsti carichi impulsivi o di tipo burst.
Uno dei principali vantaggi dei supercondensatori è la velocità di carica, che in teoria può essere di alcuni secondi. Nelle applicazioni pratiche il carica batteria limita la corrente di carica per ragioni di sicurezza ma, in ogni caso, il tempo di carica di un supercondensatore può essere misurato in minuti.
Rispetto alle batterie, i supercondensatori evidenziano due svantaggi principali. Il primo è il range di tensione compreso tra 2,5 e 2,7V, inferiore di quello delle batterie a ioni di litio che va a 3,5 a 3,7V. Per ottenere tensioni più elevate è necessario connettere parecchi supercondensatori in serie, operazione che richiede un accurato bilanciamento della tensione. Il secondo svantaggio è la bassa densità di energia, che non supera i 10 Wh/g rispetto ai 200 Wh/kg di una batteria a ioni di litio. Poiché la velocità di ricarica dei supercondensatori è molto elevata, caratteristica particolarmente utile nel caso dei veicoli elettrici, le attività di ricerca sono focalizzate sull aumento della densità di energia.
Il lavoro svolto presso la UCLA (Uni-versity of California, Los Angeles) ha permesso di realizzare un dispositivo capace di immagazzinare un'energia sei volte superiore per peso unitario rispetto a un supercondensatore tradizionale. Il "segreto" delle prestazioni di questo supercondensatore sono gli elettrodi in ossido di manganese (Mn02) accoppiati con grafene inciso mediante laser (LSG Laser Scribed Graphene) tridimensionale progettato per garantire elevata conduttività, porosità e area superficiale e consentire l'immagazzinamento di molta più energia per unità di massa (Fig. 3). Le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC - Direct Methanol Fuel Cell) sono una delle sorgenti di alimentazione più promettente per dispositivi elettronici consumer.
Le attività di R&S si stanno concentrando sui seguenti filoni: riduzione del fenomeno dell'attraversamento del metanolo, sviluppo di elettrodi caratterizzati da maggiore attività e selettività, diminuzione del peso e del volume del sistema.
In definitiva si può affermare che la tecnologia delle batterie a ioni di litio sta rapidamente giungendo a maturazione ma, anche se in grado di offrire un servizio soddisfacente, i consumatori vogliono batterie caratterizzate da durate sempre maggiori. Per questo motivo le ricerche in atto sono focalizzate sul miglioramento degli aspetti chimici e fisici per supportare l'evoluzione delle batterie a ioni di litio.
Alcune delle ricerche in atto potrebbero garantire lo sviluppo di batterie al litio caratterizzate da un tempo di funzionamento doppio rispetto a quello delle batterie attuali, a parità di applicazioni. Tutto ciò potrebbe non bastare per soddisfare le richieste dei dispositivi elettronici consumer delle prossime generazioni: per questo motivo si stanno affacciando alla ribalta tecnologie alternative quali supercondensatori, celle a combustibile, energy harvesting, oltre a dispositivi per l'immagazzinamento dell'energia non ancora apparse sono le luci della ribalta.
Articolo tratto in parte da
http://www.mouser.com/applications/future-of-portable-power/
