Le ragioni principali per cui le batterie al litio utilizzano gusci in alluminio possono essere analizzate in dettaglio in base ai seguenti aspetti: leggerezza, resistenza alla corrosione, buona conduttività, buone prestazioni di lavorazione, basso costo, buone prestazioni di dissipazione del calore, ecc.
1. Leggero
• Bassa densità: la densità dell'alluminio è di circa 2,7 g/cm³, significativamente inferiore a quella dell'acciaio, che è di circa 7,8 g/cm³. Nei dispositivi elettronici che puntano ad un'elevata densità energetica e leggerezza, come telefoni cellulari, laptop e veicoli elettrici, i gusci in alluminio possono ridurre efficacemente il peso complessivo e migliorarne la resistenza.
2. Resistenza alla corrosione
• Adattabilità ad ambienti ad alta tensione: la tensione di esercizio dei materiali dell'elettrodo positivo delle batterie al litio, come i materiali ternari e l'ossido di litio e cobalto, è relativamente elevata (3,0-4,5 V). A questo potenziale, l'alluminio forma una densa pellicola di passivazione di ossido di alluminio (Al₂O₃) sulla superficie per prevenire ulteriore corrosione. L'acciaio viene facilmente corroso dall'elettrolita ad alta pressione, con conseguente degrado delle prestazioni della batteria o perdite.
• Compatibilità con gli elettroliti: l'alluminio ha una buona stabilità chimica rispetto agli elettroliti organici, come LiPF₆, e non è soggetto a reazioni durante l'uso a lungo termine.
3. Conduttività e progettazione strutturale
• Collegamento del collettore di corrente: l'alluminio è il materiale preferito per i collettori di corrente dell'elettrodo positivo (come il foglio di alluminio). Il guscio in alluminio può essere collegato direttamente all'elettrodo positivo, semplificando la struttura interna, riducendo la resistenza e migliorando l'efficienza di trasmissione dell'energia.
• Requisiti di conduttività del guscio: in alcuni modelli di batterie, il guscio in alluminio fa parte del percorso della corrente, come nelle batterie cilindriche, che ha sia funzioni di conduttività che di protezione.
4. Prestazioni di elaborazione
• Eccellente duttilità: l'alluminio è facile da stampare e stirare ed è adatto alla produzione su larga scala di forme complesse, come i film in alluminio-plastica per batterie quadrate e soft-pack. I gusci in acciaio sono difficili da lavorare e hanno costi elevati.
• Garanzia di tenuta: la tecnologia di saldatura delle calotte in alluminio è matura, come la saldatura laser, che può sigillare efficacemente l'elettrolita, impedire l'ingresso di umidità e ossigeno e prolungare la durata della batteria.
5. Gestione termica
• Elevata efficienza di dissipazione del calore: la conduttività termica dell'alluminio (circa 237 W/m·K) è molto più elevata di quella dell'acciaio (circa 50 W/m·K), il che aiuta la batteria a dissipare rapidamente il calore durante il funzionamento e a ridurre il rischio di fuga termica.
6. Costo ed economia
• Bassi costi di materiali e lavorazione: il prezzo della materia prima dell'alluminio è moderato e il consumo energetico di lavorazione è basso, il che lo rende adatto alla produzione su larga scala. Al contrario, materiali come l'acciaio inossidabile sono più costosi.
7. Progettazione della sicurezza
• Meccanismo di rilascio della pressione: i gusci in alluminio possono rilasciare la pressione interna ed evitare esplosioni in caso di sovraccarico o fuga termica progettando valvole di sicurezza, come la struttura a ribaltamento CID delle batterie cilindriche.
8. Pratiche industriali e standardizzazione
• Gli involucri in alluminio sono stati ampiamente adottati fin dai primi giorni della commercializzazione delle batterie al litio, come la batteria 18650 lanciata da Sony nel 1991, formando una filiera industriale matura e standard tecnici, consolidando ulteriormente la sua posizione di mercato.
Ci sono sempre delle eccezioni. In alcuni casi particolari, vengono utilizzati anche gusci in acciaio:
In alcuni scenari con requisiti di resistenza meccanica estremamente elevati, come alcune batterie di alimentazione o applicazioni in ambienti estremi, è possibile utilizzare gusci in acciaio nichelato, ma il peso e il costo aumentano.
Conclusione
I gusci in alluminio sono diventati la scelta ideale per i gusci delle batterie al litio grazie ai loro molteplici vantaggi, quali leggerezza, resistenza alla corrosione, buona conduttività, facile lavorazione, eccellente dissipazione del calore e basso costo, bilanciando perfettamente prestazioni, sicurezza ed esigenze economiche.
Data di pubblicazione: 17 febbraio 2025
