Il lavoro pionieristico delle batterie al litio iniziò nel 1912 sotto GN Lewis, ma fu solo all'inizio degli anni '70 che le prime batterie al litio non ricaricabili iniziarono ad essere utilizzate in commercio. Il litio è il più leggero di tutti i metalli, fornendo il più grande potenziale elettrochimico e la più alta densità di energia in termini di peso.
I tentativi di sviluppare batterie al litio ricaricabili fallirono a causa di problemi di sicurezza. La ricerca si è concentrata sull'uso degli ioni di litio invece del litio metallico nelle batterie al litio non metalliche a causa dell'instabilità intrinseca del litio metallico, soprattutto durante la ricarica. Sebbene la densità energetica fosse leggermente inferiore a quella del litio metallico, gli ioni di litio sono sicuri purché vengano prese alcune precauzioni durante la carica e la scarica. Nel 1991 Sony commercializzò la prima batteria agli ioni di litio. Altri produttori hanno seguito l'esempio.
Gli ioni di litio hanno tipicamente il doppio della densità energetica del nichel-cadmio standard. Ha il potenziale per una densità energetica ancora più elevata. Le sue caratteristiche di scarica sono abbastanza buone e si comporta in modo simile al nichel-cadmio durante la scarica. L'elevata tensione della batteria di 3,6 volt consente la progettazione di pacchi batteria che utilizzano una sola cella. La maggior parte dei telefoni cellulari attuali funziona con una sola batteria. Un pacco a base di nichel richiederebbe tre celle da 1,2-volt collegate in serie.
La batteria agli ioni di litio è una batteria a bassa manutenzione, un vantaggio che la maggior parte degli altri prodotti chimici non può vantare. Non è presente memoria e non è necessario alcun ciclo programmato per prolungare la durata della batteria. Inoltre, l'autoscarica è inferiore alla metà rispetto al nichel-cadmio, rendendo gli ioni di litio particolarmente adatti per le moderne applicazioni di indicatore del livello di carburante. Le celle agli ioni di litio causano pochi danni quando vengono smaltite.
Nonostante i vantaggi complessivi degli ioni di litio, hanno i suoi svantaggi. È fragile e richiede un circuito di protezione per mantenere un funzionamento sicuro. Integrato in ciascun pacco, il circuito di protezione limita la tensione di picco di ciascuna cella durante la carica e impedisce che la tensione della cella scenda troppo in basso durante la scarica. Inoltre, il circuito di salvaguardia monitora la temperatura della batteria per prevenire temperature estreme. La maggior parte dei pacchi hanno una temperatura nominale compresa tra 1°C e 2°C, dove 1°C equivale alla capacità nominale della batteria in un'ora. Tale protezione aumenta il costo di produzione.
L’invecchiamento è un problema per la maggior parte delle batterie agli ioni di litio e molti produttori rimangono in silenzio su questo problema. Dopo un anno, la batteria perde circa il 20% della sua capacità all'anno, indipendentemente dal fatto che venga utilizzata o meno. L'invecchiamento avviene più velocemente a temperature più elevate. La conservazione in un luogo fresco rallenta il processo di invecchiamento degli ioni di litio (e di altri prodotti chimici). I produttori consigliano la conservazione a 15 gradi (59 gradi F). Inoltre, durante lo stoccaggio la batteria dovrebbe essere parzialmente carica, con un valore di carica consigliato del 40%.
In termini di costo rispetto alla densità di energia, la cella cilindrica agli ioni di litio 18650 è la batteria più economica e viene utilizzata per il mobile computing e altre applicazioni che non richiedono una geometria ultrasottile. Per le geometrie più sottili, gli ioni di litio prismatici offrono il miglior compromesso tra rapporto costo/energia e fattore di forma.
Vantaggi
- Elevata densità di energia: potenziale per capacità ancora più elevate.
- Non necessita di adescamento prolungato quando è nuovo. È sufficiente una ricarica regolare.
- Autoscarica relativamente bassa: l'autoscarica è inferiore alla metà di quella delle batterie a base di nichel.
- Bassa manutenzione: non è necessaria alcuna scarica periodica; non c'è memoria.
- Le celle speciali possono fornire corrente molto elevata ad applicazioni come gli utensili elettrici.
Limitazioni
- Richiede un circuito di protezione per mantenere la tensione e la corrente entro limiti di sicurezza.
- Soggetto a invecchiamento, anche se non in uso: la conservazione in un luogo fresco con una carica del 40% riduce l'effetto dell'invecchiamento.
- Restrizioni di trasporto: la spedizione di quantità maggiori può essere soggetta a controllo normativo. Questa restrizione non si applica alle batterie trasportabili a mano.
- Costoso da produrre: circa il 40% in più rispetto al nichel-cadmio.
- Non completamente maturi: i metalli e le sostanze chimiche cambiano continuamente.