Batterie LFP (litio-ferro-fosfato) nelle auto elettriche: cosa sono e come funzionano

Le auto elettriche sono ormai entrate nella nostra quotidianità e sempre pià spesso di parla delle loro batterie e della loro sicurezza.
In questo articolo vogliamo approfondire tutto cià che riguarda le batterie LFP (litio-ferro-fosfato) un tipo di batteria utilizzata, appunto, all’interno delle auto elettriche.
Questa tipologia di batterie è nota sopratutto per la loro sicurezza, durabilità e costi relativamente bassi, vediamo meglio di cosa si tratta.

Storia e sviluppo delle batterie LFP

Le batterie al litio-ferro-fosfato (LFP), grazie alla loro combinazione unica di sicurezza, durata e costi contenuti, hanno acquisito una posizione di rilievo nel panorama delle tecnologie di accumulo energetico. Il viaggio delle batterie LFP inizia alla fine degli anni ’90, segnando un importante punto di svolta nella ricerca e nello sviluppo delle batterie al litio. Questa tecnologia è emersa come una risposta alle preoccupazioni legate alla sicurezza e al costo delle alternative basate su litio-cobalto (LiCoO2), dominanti sul mercato fino ad allora.

Il fosfato di ferro litico (LiFePO4) come materiale catodico fu introdotto per la prima volta da John Goodenough e il suo team nel 1996. Goodenough, uno dei pionieri nello sviluppo delle batterie ricaricabili, cercava di superare i limiti di sicurezza, durata e costi delle chimiche al litio esistenti. La sua scoperta aprì la strada a una nuova classe di batterie al litio che offriva prestazioni robuste senza i rischi di surriscaldamento e incendio associati ai materiali catodici precedenti.

Nel corso degli anni, le batterie LFP hanno beneficiato di significativi avanzamenti tecnologici che ne hanno migliorato le prestazioni e ridotto i costi. L’ottimizzazione del processo di sintesi del materiale catodico, l’introduzione di nanotecnologie per migliorare la conduttività elettrica e la densità energetica, e lo sviluppo di sistemi di gestione della batteria più avanzati hanno tutti contribuito a rendere le batterie LFP una scelta competitiva per una vasta gamma di applicazioni.

Uno degli aspetti distintivi delle batterie LFP è la loro eccezionale stabilità termica e chimica. A differenza delle chimiche basate su cobalto, il fosfato di ferro litico non rilascia ossigeno sotto stress termico, riducendo notevolmente il rischio di incendi e esplosioni. Questa caratteristica le rende particolarmente adatte per applicazioni in cui la sicurezza è di primaria importanza, come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo energetico domestico e industriale.

Negli ultimi anni, l’interesse verso le batterie LFP è cresciuto esponenzialmente, spinto dall’aumento della domanda di veicoli elettrici e dalla necessità di soluzioni di accumulo energetico più sicure e sostenibili. Con l’evoluzione continua della tecnologia e il miglioramento delle prestazioni, le batterie al litio-ferro-fosfato sono destinate a giocare un ruolo centrale nello sviluppo futuro dell’energia pulita e della mobilità elettrica.

Quali sono i principali vantaggi e svantaggi di queste batterie?

Le batterie LFP rappresentano una soluzione energetica promettente, equilibrando sicurezza, efficienza e sostenibilità. Mentre offrono numerosi benefici, presentano anche alcune limitazioni.

I vantaggi

Gli svantaggi

Composizione chimica

Le batterie al litio-ferro-fosfato (LFP) sfruttano materiali specifici per la loro composizione chimica, la quale gioca un ruolo cruciale nelle loro prestazioni e sicurezza. La formula chimica di base delle batterie LFP è LiFePO4, che indica la presenza di litio (Li), ferro (Fe), fosforo (P) e ossigeno (O) nel materiale catodico.

Catodo: il catodo in una batteria LFP è costituito da fosfato di ferro litico (LiFePO4). Questo composto è scelto per la sua stabilità termica e chimica, che contribuisce alla sicurezza generale della batteria riducendo il rischio di incendi ed esplosioni. Il materiale del catodo offre anche una buona conducibilità elettrica e una lunga vita utile.

Anodo: l’anodo nelle batterie LFP è tipicamente fatto di grafite, che viene utilizzata per la sua capacità di intercalare ioni di litio durante il processo di carica e scarica. La grafite serve come sede per lo stoccaggio degli ioni di litio quando la batteria è carica, e rilascia gli ioni durante il processo di scarica, generando corrente elettrica.

Elettrolita: l’elettrolita in una batteria LFP è una soluzione liquida o polimerica che contiene sali di litio disciolti. Questa soluzione facilita il movimento degli ioni di litio tra l’anodo e il catodo durante i cicli di carica e scarica, consentendo così alla batteria di funzionare. Gli elettroliti più comuni includono sali come il LiPF6 (esafluorofosfato di litio) disciolti in solventi organici.

Separatore: un separatore poroso si trova tra l’anodo e il catodo per prevenire il cortocircuito fisico tra i due elettrodi, consentendo al contempo il libero passaggio degli ioni di litio attraverso l’elettrolita.

Produzione delle batterie LFP

Le batterie LFP sono realizzate attraverso un processo di produzione che coinvolge diversi passaggi chiave, dalla sintesi dei materiali alla cella finale e all’assemblaggio del pacco batteria. Queste batterie sono composte principalmente da un catodo di fosfato di ferro litico (LiFePO4), un anodo di grafite, un elettrolita a base di soluzioni di sali di litio e un separatore. La produzione delle batterie LFP si distingue per alcune specificità dovute alla natura del materiale del catodo e alle considerazioni ambientali e di sicurezza.

Processo di Produzione delle Batterie LFP

1. Sintesi del materiale del catodo: la produzione inizia con la sintesi del fosfato di ferro litico, che può avvenire tramite diversi metodi, come la sintesi a stato solido, la precipitazione umida o il metodo sol-gel. Questo passaggio è cruciale per determinare le proprietà finali della batteria, come la capacità e la velocità di carica.
2. Preparazione dell’anodo e del catodo: l’anodo di grafite e il materiale catodico sintetizzato vengono mescolati con additivi e un legante per formare rispettivamente la pasta dell’anodo e del catodo. Queste paste vengono poi stese su supporti di rame (anodo) e alluminio (catodo).
3. Assemblaggio della cella: il separatore, un materiale poroso che impedisce il contatto diretto tra anodo e catodo evitando cortocircuiti, viene posto tra l’anodo e il catodo. L’elettrolita, che consente il movimento degli ioni di litio tra anodo e catodo, viene poi aggiunto.
4. Sigillatura e formazione: le celle vengono sigillate e sottoposte a un processo di formazione, dove vengono caricate e scaricate per diverse volte per attivare il materiale del catodo e migliorare le prestazioni iniziali della batteria.
5. Assemblaggio del pacco batteria: le celle vengono assemblate insieme con i circuiti di gestione della batteria (BMS) per formare il pacco batteria finale. Questo sistema controlla la carica, la scarica e assicura la sicurezza della batteria durante l’uso.

Maggiori Produttori di Batterie LFP

La Cina domina il mercato della produzione di batterie LFP, grazie alla sua vasta capacità produttiva, alle risorse di materie prime e al forte sostegno governativo alla ricerca e allo sviluppo nel settore delle energie rinnovabili e della mobilità elettrica. Le aziende cinesi, come CATL e BYD, sono tra i maggiori produttori di batterie LFP al mondo, con una quota significativa del mercato globale. La Cina ha investito massicciamente in questa tecnologia, riconoscendo il suo potenziale per alimentare una vasta gamma di applicazioni, dalla mobilità elettrica ai sistemi di accumulo energetico, e per ridurre la dipendenza da materiali critici come il cobalto.

Negli ultimi anni, anche altri paesi hanno iniziato a riconoscere l’importanza delle batterie LFP e stanno cercando di espandere la loro capacità produttiva, ma la Cina rimane al momento il leader indiscusso in questo settore. Con la crescente attenzione verso la sostenibilità e la sicurezza delle batterie, si prevede che la domanda di batterie LFP continuerà a crescere a livello globale, stimolando ulteriori investimenti nella loro produzione e nello sviluppo tecnologico.

Alternative a questa tipologia di batterie

Esistono diverse altre tecnologie di batterie che offrono caratteristiche e vantaggi distinti. Queste alternative sono spesso valutate in base alla densità energetica, alla sicurezza, al costo e alla durata, a seconda delle specifiche esigenze dell’applicazione.

Litio-nichel-cobalto-manganese (Li-NCM o NCM)

Le batterie NCM utilizzano un catodo composto da nichel, cobalto e manganese. Questa tecnologia offre una buona densità energetica e prestazioni elevate, rendendola popolare in applicazioni come i veicoli elettrici (VE) e l’elettronica di consumo. Tuttavia, il contenuto di cobalto le rende più costose e meno sostenibili rispetto alle LFP.

Litio-nichel-cobalto-aluminio (Li-NCA)

Le batterie NCA contengono nichel, cobalto e alluminio nel catodo. Forniscono una delle più alte densità energetiche tra le batterie al litio, il che le rende ideali per applicazioni che richiedono un’elevata capacità in un volume ridotto, come i laptop e alcuni VE di alta gamma. Similmente alle NCM, anche le NCA sono costose e pongono questioni ambientali legate al cobalto.

Litio-manganese-ossido (Li-MnO2)

Conosciute per la loro elevata sicurezza, le batterie a base di manganese offrono una buona densità energetica e sono meno costose rispetto alle opzioni che utilizzano cobalto. Sono spesso impiegate in applicazioni meno esigenti in termini di energia, come gli utensili elettrici e i dispositivi medici.

Litio-titanato (LTO)

Le batterie LTO si distinguono per la loro eccezionale sicurezza e la capacità di caricarsi rapidamente. Il loro catodo a base di titanato di litio permette una stabilità chimica superiore e una lunga vita utile. Tuttavia, la loro densità energetica è significativamente inferiore rispetto ad altre chimiche al litio, il che limita il loro impiego in applicazioni dove lo spazio e il peso sono critici.

Litio-polimero (Li-Po)

Le batterie Li-Po sono una variazione delle batterie agli ioni di litio che utilizzano un elettrolita polimerico al posto di uno liquido. Questo le rende più leggere e consente una maggiore flessibilità nella forma, rendendole adatte per l’elettronica portatile e i droni. Nonostante ciò, possono essere più costose da produrre e possono offrire una durata minore rispetto ad altre tecnologie.

Ogni tecnologia di batteria presenta un compromesso unico tra densità energetica, sicurezza, costo, e durata. La scelta tra queste opzioni dipenderà dalle specifiche esigenze dell’applicazione e dai criteri di prestazione prioritari.