Semplice no? A parte che nient de chesti bateri l’è facil quand che cumenciat a scavà in di detai, che sun drée a fà perché pœu minga vùtarme.
Perché el litio però? (Qui l'è induè me fago fastidius)
Element numer 3. Idrogeno, elio, litio. L’è quel l’ordin. Atom super picinin perqè al g’ha domà 3 proton.
E ecco la ròba del litio - che vœur VERAMENT liberass del sò eletrun esterno. Come disperatament vœl. L’è instabil inscì. Cognuset quei video di gent che bütan el sodio in del aqua e l’è sbuzzad e ciappa fœuch? El litio fa quel ma PIÙ. Ho vardà quaivun che g’ha slanzà un tòcc de metal al litio en un secch d’aqua una volta en una dimostraziun de sicureza in del 2011 (o in del 2012?) e l’era onestament spaventus quant velocement g’ha reagit. El secch el s’è fondü.
Aspeta no, el secch el se fond minga. L’aqua l’è büida e el liti g’ha ciapà fœuch sü la superfis. El secch l’era ben. La mia memoria l’è una merda.
Comunque el punt l’è: el metal litio pur l’è periculus. L’è per chest mutif che i muderni bateri a ion litio - duperan no metal litio pur - duperan ION a litio. Litio già ossidato. La furma Li+. Mol püsee stabil.
La tensiun che ottèn l’è de circa 3,6-3,7 V per celùla che l’è decent. Mejior del alcalino (1,5 V) o del NiMH (1,2 V). El vœur dì che g’he bisugn de menu celùl per rivà a la tensiun de destinaziun. L’è per chest mutif che la bateria del laptop g’ha 6 celùl al post de 15.
Anca - e g’havaria dovuu dì che chestu prim - litio l’è LIGHE. Terz element püsee legher. Donca te ottien una volta densità de energia senza pes pazz. L’è per chest mutif che i veicul electrich duperan ion litio-e minga l’acid de plomb-. Una bateria acida a plomb cun l’istess energia pesaria letteralment 5-6 volt de püsee. La tò Tesla g’havaria bisugn de un carrell elevatur per cambiar la bateria.
I compunent real (fibbia chestu diventa tecnich)
Anodo (lato negatif):
De solet grafit. Iè, la stess ròba che g’he in di matite, però l’è püsee pura e lavurada en mod diferent.
La grafit g’ha chesta strutura de cristal stratificà - imaginà un maz de cart a nivel atomich. I strati sun tegnuu insema di debul forzi de van der Waals (la chimich de la scœula superiur la turna a frequentàt). I ion de litio pœden sciupà intra chesti strati e sultant... stà lì. El termin tecnich l’è “intercalaziun” ma la pensi cuma parchegiar i machin en un garagg de püsee plani.
La capacità massima teorica l’è de 372 milliamper-ur per gramm. In del mund real se ottenen 340-360 mAh/g se la produziun la fà minga schifo. G’ho vist di celùl de quai produtur cines che pudevan a pena rivà a 310 mAh/g. Vag minga a dà di nomm ma se riorganizi i letter en "BYD" te ricevi... va ben, g’ho di nomm. I so prime cellule eren aspre. Però sun diventà meji dal 2018.
Incœu tüt seguttan a parlà di anodi de silicio perché el silicio pœu cuntener en teoria 10 volt püsee de litio de la grafite. Sembra incredibile no? 3700+ Capacità teorica mAh/g.
El prublema - e chestu l’è el prublema che l’è stà “quasi risolt” de quand che g’ho cumincià en chestu setur - l’è che el silicio se slarga del 300% circa quant el litiat. I partisel se crepan letteralment. Figürates de gunflà un pallon denter de un blòcch de cement. El cement se flessi no, se romp sultant.
Tesla al drova un poo de silicio adess, mes’ciad cond la grafita. Forsi 5-10% de silicio? Ho sentì che l’era l’8% ma podaria sbagliàm. El punt l'è che l'è una quantità piscinina. I anodi de silicio pur sun ancamò minga pront anca se dis tüt i pitch deck de la Serie A de startup.
Catodo (lato pusitif):
Oh ragazz. Chestu l’è indué se fà disordinaa perché g’he sun cuma 6 chimich di catodi diferent e tüt g’han di opiniun sü qual l’è püsee bon e se sbaglian tüt perché dipend de la vòstra aplicaziun.
L’uriginal de Sony in del 1991 l’era l’ossido de cobalto de litio - LiCoO2. L’emm ciamà "LCO" per curt. La densità d’energia l’è assée bona - 150-200 mAh/g a segond de chi l’ha fada. Ma la stabilità termica l’è teribil. Se el carichi tropp o el fà tropp cald, la strütüra cristallin libera usigen. Ossigen + eletrolit organich + calor=dì brutt. El tò telefon probabilment dupera però LCO perché i telefon g’han minga bisogn de durar 10 an e te l’è minga svelt -a caricarli a 10C.
Dopu g’he NMC - ossido de cobalto de nichel manganes. Chestu l’è chel che la magiur part di veicul electrich dupera incœu. El raport intra nichel e manganes e cobalto seguta a cambiar. Cumencià cuma 1:1:1 (part istess). Poeu i produtur sun passà a 5:3:2. Poeu 6:2:2. Incœu semo a 8:1:1 o anca 9:0.5:0.5 en di celùl de fascia volta-.
Perché el cambiament? El cobalto g’ha un prezi volt. Come veramente car. Anca la magiur part del cobalto vien de la RDC (Republica Democratich del Congo) e la situaziun mineraria l’è... cumplicada. Lavur infantil, cundiziun minga sicür, tüt el meschin. Donca tüt stan cercand de duperà menu cobalto.
Püsee nichel=püsee capacità ma menu stabilità termich. Püsee manganes=püsee economich e püsee stabil ma cun menu capacità. Püsee cobalt=püsee stabil e mejior ciclo de vida ma $$$ e prublem etich.
L’è semper un compromess-. Semper. G’ho avü inscì tanti discussiun cunt i responsabil del prudut sü chestu. Vœuren una volta densità de energia E una lunga vida del ciclo E un bas prezi E una bona sicureza. Pœdet sceglier magari dü. Fors.
G’he anca NCA - nichel cobalto aluminio. Tesla l’ha drovad qest per ann ind i so pachets de longa gamma. La Panasonic i g’ha fabricà in de la grand fabrica del Nevada. Ho visitad una oltra fabrica de baterie una volta - minga quella, ma una strutura de una concorrenza - e la stanza secca da sola l’era pazza. Ol sistema de manipolazion de l’aria ‘l é probabilment costad $50+ miion de dollar. Tut g’ha de vèss sotta del punt de rugiada de -40 grad o el sal eletrolit assorb l’umidità e crea acid idrofluorich. HF mangiarà travers de tüt. Veder, metal, oss. Roba bruta.
Oh e LFP - fosfat de ferr al litio. Quest chi l’è drè a turnà. L’è püsee segür, püsee economich per kWh e dura püsee. G’ho sentì parlà di celùl LFP che fan di cicli 5000+ al 80% de capacità. Forsi anca 6000. El punt negatif l’è una densità d’energia püsee basa - sultant cuma 120-140 mAh/g cuntra 180-200 per NMC.
Tesla l’ha començad a metar LFP ind i so Model 3 de Gamma Standard vers el 2021. El mercad cines l’ha ciapad per prim. L’è sens - CATL l’è el püsee grand produtur de LFP e se truvan en Cina.
Quaivun se lamenta de la pert de interval LFP in del temp frècc. L'è pegg de NMC. Ma i celùl sun püsee economich e duran püsee, donca per tanti aplicaziun val la pena el scambi. Ciaparìa un pachett LFP per una macchina urbana. Per un incruciatur sü autostrada a luungh ragg magari no.
Elettrolit:
Chestu l’è el liquid in del mezz. El cundut ion ma minga eletrun, che l’è impurtant perché se el cundut eletrun g’he sarèss sultant un curt circuit.
De solet l’è esafluorofosfat de litio - LiPF6 - dissolt en solvent organich. I solvent sun tipicament una mescolanza de carbonat de etilene (CE) e carbonat de dimetil (DMC) o carbonat de dietil (DEC).
Ecco un detai strano: CE l’è solido a temperadüra ambient. El punt de fusiun l’è de circa 36 grad. Donca la CE pura se cungelaria en inverno. Per quest se mes’cia cun DMC o DEC che sun liquid fin a -70 grad o qual-sa-vöör. La mistura la resta liquida en cundiziun ragiunevul.
Anca i carbonat organich sun infiammabil. Minga a livel de benzina-infiammabil ma de sicür infiammabil. Ho vist un test de penetraziun di ungh una volta induè g’hem purtà apposta un ungh travers de una celùla cumpletament carica. Spurgava prima el gas - cunt un son - e dopu i flam sparavan fœura del büs de spurgament. Raggiunto come 2 metri di altezza. L’intera cellula l’è rivada forsi a 800 grad sü la bas del filmat de la camera termica.
Chesta l’era una prova cuntrulada cun la supresiun del fœuch e tüt. Ancamò spaventus però.
El sal LiPF6 l’è igroscopich cuma l’infern. Ama l'aqua. Se l’è umid, l’idroliza en HF. L’è per chest mutif che la produziun di bateri la suced in di stanz estremament secc. Parlo de punt de rugiada de -40 grad o inferiur. El sistèm de desumidificaziun l’è de solet un di püsee grand consumadur de energia en una fabrica de celùl.
Ho visitad una strutura indué la stanza a secco l’era inscì secca che faseva mal respirà. El tò nas se seccaria en quai minut. Tüt quei che lavuravan lì g’havevan de duperà semper el spray salina. Minga un sit de lavurà piacevul.
Separatur:
El component desmentegà. L’è domà una membrana de polimer fina ma l’è fondamental.
De solet polipropilen (PP) o polietilen (PE). Quai volt un tristrato cun PP-PE-PP. El spessur l’è tipicament de 20-25 micron. L'è magr. Püsee sottil de un pel del òmm (70-100 micron).
El g’ha di pori microscopich - cuma un diameter de 100 nanometer - che fan traversà i ion ma blocan i eletrun. Mantegn anca l’anodo e el catodo fisicament separà. Se tuccan=curtcircuit=ròbb catif suceden rapidament.
Regordet che el Samsung Galaxy Note 7 s’è incendià? 2016. Chest l’è stà en part dovüu ai dann al separatur. Samsung l’ha prugetà la bateria en mod tropp agresif. Tropp sottil, imbalà tropp strècc, senza tolleranza per l’espansiun. Quai celùl g’haveva el separatur pressà tropp fort en un angul. Sviluppà un punt debul. A la fin g’ho un büs. Curto interno. Fuga termica. Fœg.
L’han regordà 2,5 miliun de telefon. Vietà di aerei. Cust Samsung miliard. Tut per via de un tòcc de plastica püsee sottil del carta.
G’ho di opiniun sü la prugetaziun agresiva de la bateria. I produtur seguttan a spincc püsee sottil e püsee leger per batt la concurenza. Ma g’he un limit. A la fisega la se interessa miga del programm de lanç del prodot.
Come funziona (la part che tüt saltan)
Carica:
Culeghi el telefono. El caricatur furza i eletrun in del anodo e i tira del catodo. Chestu fà liberà ion de litio al catodo. I ion viagian travers l’eletrolit fin al anodo. Se intercalan in de la strütüra de grafit.
Pensa-la cuma cumprimer una molla. I ion litio vœuren no vèss in del anodo en mod natüral - sun püsee stabil in del catodo. Ma te i furzi là aplicànd una tensiun. Energia cunservà.
Scaricament:
Se disconnet e dupera el telefon. La primavera la libera. I ion de litio scorren ancamò al catodo travers l’eletrolito. I eletrun passan travers el circuit del telefon de anodo a catodo. Chel fluss de eletrun alimenta el vòster dispusitif.
La tensiun dipend de la chimich e del stat de carica. Per NMC o NCA:
Cumpletament carica: ~4.2V
Nominal: ~3,7 V
Cumpletament scaricà: ~3,0 V
Vai minga sotta de 3,0 V o cumencias a placcar metal al litio che l’è periculus. Vai minga superiur a 4,2V o rischi de fuga termica. L’è per chest che esisten di sistèm de gestiun de la bateria (BMS). Cuntrolan la tensiun e la temperadüra e la curent e spegnen i ròbb se quaicos de minga giüst.
Un bon design BMS l’è dificil. Veramente duro. G’he vœur di temp de rispòsta rapid, di sensur precis, di cuntrol de sicureza redundant. Un BMS economich l’è un di mod püsee svelt per trasfurmar una bateria decent en un pericul de incendi.
I prublem (oh òmm g’he sun tanti prublem)
Problema 1: la degradasiun l’è inevitabil
Ogni ciclo de carica-de scarica dannegia la bateria. Inevitabil. Termodinamega.
G’he chesta ròba ciamada strat SEI - interfas de eletrolit solido - che se furma sü la superfiss del anodo. L’è en realtà necesari perché la bateria funziuna. Ma el seguta a cress in del temp e al consuma litio atif. Dopu 500 cicli podarias avegh restà el 90% de capacità. Dopu el 1000 forsi l’80%. Dopu el 2000... dipend.
G’ho un MacBook del 2015 che mustra ancamò el 78% de salud de la bateria. Però - rarament el lasso ndà sotta el 40%, tegnil culegà quand l’è pusibel, carical mai en una macchina calda. La mia dona g’ha un MacBook del 2018 che l’è al 62% de salud perché el fà funziunar. Cicli cumplet tüt i dì, la lassa cargar durant la nott, la dupera süi sò grembiul menter l’è cald. Come trati la batteria importa TANTO.
Anca el catodo se degrada. L’NMC de nichel volt-l’è particularment catif. Sora 4,3V la superfiss del catodo cumencia a reagir cun l’eletrolito. I ion metalich de transiziun (nichel, manganes, cobalto) pœden deslenguàs e migrar al anodo indué ruvin el SEI. G’he anca chesta ròba ciamada densificaziun a catodo indué la strütüra de cristal se cumpacta lentament e perd la porosità.
Pœu minga prevegnir chestu. L’è domà chimica. L’entropia la vince semper.
Problema 2: La temperadüra destrugg tüt
Sotta de 0 grad l’eletrolit diventa viscüs cuma el mèl frècc. El trasport di ion al rallenta. Perdet forsi el 20-30% de capacità a -10 grad . Ancamò pegiur, se pruvat a cargar rapidament una bateria frèda, placcarès el litio metalich sül anodo inveci de intercalala. Chestu crea dendrit, strütür simil a aguja de metal de litio che pœden cress e a la fin traforar el separatur. Curto interno. Fœg.
Sora 40-45 grad, tüt i reaziun de degrad aceleran. Regola general: ogni aument de 10 grad duplica el tass de reaziun. Donca una bateria a 45 grad se degrada circa 4 volt püsee velocement che a 25 grad.
Vivo in Texas. I temp d’istà sun rivà a 100 grad F+ (38 grad +). G’ho vist bateri EV che g’han perduu el 15% de capacità en 3 an sultant per l’esposiziun al calor. Intant i veicul electrich en Minnesota se degradan a pena d’estaa - ma perden la portata d’inverno per el frècc. Pœu minga vincià.
La temperadüra ideal de funziunament l’è de 20-25 grad. Buona fortuna a mantegnir quel in del mund real.
Problema 3: la carica rapida l’è per natüra prublematich
Tüt vœuren una carica del VE per 10-minut cuma una staziun de benzina. Ma spincc una grand energia travers de una bateria genera calor. Pèrt I2R - current quadrà volt resistenza. La resistenza l’è piscinina ma minga zeru. A la carica de 250kW stee generand un calor significatif.
Anca la carica rapida mett en stress mecanicament i materiai di eletrodi. Forza i ion a mœver-s rapidament travers la strutura. Pœu causà crepadür e fratür di partisel in del temp.
I soracaricatur Tesla (V3) pœden fär un picc de 250kW. Ma se sminuisen rapidament. Forsi 250kW per 5 minut, dopu 150kW, dopu 100kW, dopu 50kW. Quell l’è el BMS qe al protej i cellule.
I sistèm püsee nœuf de 800 V de Porsche e Hyundai pœden fär 350 kW. Ma domà per pooch temp. La fisica l’è fisica.
G’he la ricerca süi pruget de eletrodi otimizà a carica rapida-. Eletrodi püsee sottil, partisel püsee piscinin, rivestiment püsee bon. Vüta. Ma pœdet minga ingannà la termodinamich.
Problema 4: Fœuch
I bateri a ion litio-pian minga despess fœuch. Molto meno di macchine a benzina. Ma quand fan l’è dramatiq.
Fuga termica. Quand qe una cellula la riva a una temperadura critega - la varia a segonda de la qimega, fors 150-200 grads - comencen i reazion esotermege. SEI se decompon. Separator se fond. L’eletrolit el bolli. El catodo libera usigen. Ogni reazion la produx calor qe al scatena plussee reazion. Ciclo de feedback pusitif.
Pœdet minga spegnerla cun aqua cuma un fœuch nurmal. Vœuri dì che pœdet sburtà sü l’aqua per rafredarla ma la celùla cuntinua a generar calor a l’interno. I pompier odian i incendi EV. Ciapa ore per spegnere. Pœu repizzar dopu.
I cellule moderne g’hann però dei carateristege de segureza. Separatur de arresto che se serran quand se riscaldan. Venti de pressiun. Interruziun de current. Fusibil termich. Inoltre el BMS varda tutt.
Però quai volt suced ancamò. Fà di notizi tüt i volt anca se statisticament i veicul electrich sun püsee segur di machin a gas. Problema de PR.
Problema 5: etich del cobalto
El 70% del cobalto vien de la RDC. Tant de minier artigianal cun di catif cundiziun de lavurà. Raport sul lavoro infantile. Danni ambientai. L'è un casin.
Tüt stan cercand de duperà menu cobalto. NMC de volt-nichel dupera pooch. LFP dupera zeru. Ma el cobalto stabiliza la strutura del catodo. Senza de lù g’he vœur una gestiun termica püsee bon e di limit de tensiun püsee sever.
Anca i prezi del cobalto sun pazz. Sotta $30k/tonnellata in del 2016. L’è cressü a $90k+ in del 2018. S’è sfracà a $25k in del 2020. Incœu circa $35k/tonnellata. Cuma pianifichi la produziun quand el prezi de la materia prima cambia 3 volt?
Problema 6: caos de la cadena de fornitüra
I prezi del litio sun diventà parècc in del 2021-2022. $6k/tonnellata in del 2020. L’è rivà al massim a circa $80k/tonnellata a la fin del 2022. L’è cascà giò a $12k/tonnellata in del 2024. Incœu circa $15k/tonnellata in del 2025.
La magiur part del litio vien del Australia (estraziun de rocc dura) o del Sudamerica (estraziun de salam di pianur salin en Cile/Argentina/Bolivia - el “triangul del litio”). Ma la major part de la lavorazion la suced in Cina. Cuma el 75% de la capacità global de raffinaziun del litio.
La Cina la controlla anca la produzion dei bateri - 75% de la produzion global de cellule. E el 90% di materiai anodich (lavuraziun de la grafit).
Chestu l’è perché i Stat Ünì e l’Europa se batt per costruir di caden de furniment naziunai. Ma l’è lent. G’he vœuren an per costruir una gigafabrica. G’he vœur püsee de temp per costruir la cadena de furniment a vall.
El litio de qualità de la bateria- g’ha de vèss ultra pur. Menu del 0,01% de impurità. Chel livel de raffinaziun l’è minga economich o svelt.
Perché sem blocà cunt i ion litio- (per incœu)
Nonostant tüt chel che me sun lamentà, el litio-ion l’è ancamò l’upziun püsee bon sü scäla cumercial.
Densità de energia: 250-300 Wh/kg a nivell celùlar. Forsi 160-180 Wh/kg a nivell de confeziun dopu avegh giuntà raffreddament e strütüra e BMS. Chestu l’è assée per 300+ mij EV senza un pes ridicul.
Comparar:
Acid de plomb: 30-50 Wh/kg (pesant cuma un cazzo)
RMH: 60-120 W/kg (quel che Prius duperava)
NiCd: 40-60 Wh/kg (anca tossic, per la magiur part eliminà)
La produziun l’è madura. Dozene di fornituri. Plü gigafabrich. Cadene de fornitura stabilide. Economia de scala.
La gigafabrica de Tesla in Nevada la mira a 35 GWh/an. Chest l’è assée per 500k+ EV. CATL en Cina fà ancamò püsee - Pensi che 200+ GWh/an? Forsi 300? G’ho de cuntrular.
Tüt i infrastrütur pensan anca al litio-ion. Norme de carica (CCS, NACS, CHADEMO). Algoritmi BMS. Normament de sicureza. Process de riciclagg. Pœu minga sultant scambiar cunt una chimich diferent senza riprogetar tüt.
Cosa podaria sostituirla a la fin
Baterie a stato solido-:Sostituir l’eletrolit liquid cun material ceràmich o veder o sulfur solido. Vantagg: nissuna perdita, menu ris’c de incendi, magari duperà anodi metallich al litio per una magiur densità de energia.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung tüt lavura sü. QuantumScape aferma 800 Wh/kg en celùl de laboratori cun cicli 800+. Impressionant se l’è vera.
Problemi: resistenza de interfacia intra eletrolit solido e eletrodi. Dificil mantegnir un bon cuntat sü mill cicli menter i materiai se espanden/se cuntraen. La plupart dei eletrolit solids inn fragil - i dendrits pœden crepar-s a travers de lor. La produziun sü scäla l’è minga dimustrada.
Sun scettich che vedem chestu in di machin mainstream prima del 2030. Forsi in del 2028 se quaivun g’ha una svolta. Ma probabilment dopu. G’ho sentì “solid-state l’è a 5 an” per i ültem 10 an.
Litio-solfar:Densità teorich de energia de 2600 Wh/kg. El solfar l’è economich e abundant.
Problema: effet navetta polisulfuro. I prudot intermedi se deslenguan in del eletrolit causand una sbiadiment rapid de la capacità. Dopu 50 cicli la bateria l’è brindada.
Chestu l’è stà “quasi risolt” per 20+ an. Ancamò minga lì.
Ion de sodio-:In realtà sucede adess. CATL g’ha cumincià la produziun in del 2023. BYD l’è drée a lavurar.
El sodi l’è dapertüt (aqua del mar). Molt püsee economich del litio. Pœu duperà apparecchi de produziun simil.
Ma la densità energetich l’è püsee basa: 150 Wh/kg cuntra 250-300 per i ion litio.
G’ha sens per l’immagazzinament staziunari e i veicul electrich de budget. Sostituir minga prest el litio-ion in di prudot premium.
Anodi in metal al litio:Duperà metal al litio al post de la grafit. Mantegnir l’eletrolit liquid. Pœu rivà a 400-500 Wh/kg a nivell celùlar.
El prublema di dendrit persist. Tüt g’han i propri rivestiment de soluziun -, aditif eletrolitich, ecc. Vedem chi g’ha success prima.
Oh ebaterie a polimero di litio- duvaria probabilment menziunar quei. Duperan gel o eletrolit de polimer solid al post del liquid. Furmi püsee sottil, legher e flessibil. I tò auricolari senza fil probabilment g’he n’han vun. Un pooch püsee segür del liquid ma la densità energetich l’è circa l’istess. L’è ancamò tecnologia di ion litio, sultant imbalà en mod diferent. I dipartiment de marketing g’he pias ciamai “LiPo” cuma se l’era una ròba rivoluziunaria. L’è minga.
