Come funzionano le batterie degli smartphone?

Le batterie sono piccoli contenitori di energia chimica. Quando uno smartphone è collegato alla rete, l'elettricità viene utilizzata per ripristinare una reazione chimica all'interno della batteria trasferendo gli elettroni dall'anodo negativo al catodo (l'estremità positiva della batteria).

Una volta caricata, la batteria può quindi produrre energia guidando gli elettroni verso l'anodo. E continuerà a farlo fino a quando tutti gli elettroni contenuti nella batteria non si saranno trasferiti al polo negativo.

Di cosa è fatta una batteria?

All'interno di una batteria si trova un anodo, un catodo e un elettrolita, ovvero il circuito attraverso il quale gli ioni positivi possono viaggiare.

Le batterie agli ioni di litio presenti nella maggior parte degli smartphone e nell'elettronica hanno un catodo di ossido di metallo costituito da una miscela di cobalto, nichel, manganese o ferro, un anodo di grafite poroso che contiene ioni di litio al suo interno e un elettrolita di sale di litio.

Gli ioni di litio a carica positiva viaggiano attraverso l'elettrolita dall'anodo al catodo fornendo energia allo smartphone fino a quando non sarà necessario caricare nuovamente la batteria .

Scopri come funzionano le batterie degli smartphone.

Perché la batteria non dura abbastanza?

Il principio della batteria può essere semplice, ma la chimica e la tecnologia per farlo funzionare non lo sono. Il principale fattore limitante per le batterie è la loro densità di energia.

Una batteria può generare solo tanta elettricità quanta i suoi componenti chimici possono immagazzinarne. Tutto ciò che non è il materiale attivo all'interno della batteria è effettivamente un peso morto, compreso l'involucro, i chip del controller, i cavi per portare la corrente in uscita: tutti questi oggetti aggiungono peso ma non potenza.

Una tipica batteria agli ioni di litio all'interno di uno smartphone ha una densità di energia di circa 150 wattora per chilogrammo (Wh/kg). Sebbene la densità di energia della batteria agli ioni di litio sia migliorata dalla sua introduzione all'inizio degli anni '90, è frenata dalla sua costruzione e chimica.

L'unico modo per aumentare immediatamente la durata della batteria di uno smartphone con la tecnologia attuale è aumentare l'efficienza energetica dell'elettronica dello smartphone e aumentare le dimensioni della batteria, ma smartphone sempre più sottili richiedono batterie sempre più sottili.

Ecco perché la nostra azienda ha progettato all’interno dei laboratori dell’Università “La Sapienza” di Roma Witty: un dispositivo intelligente  che si inserisce tra il caricabatterie e il filo dell’alimentatore e gestisce autonomamente la fase di ricarica dello smartphone. 

Grazie a Witty è possibile agire su un duplice fattore: 

• La vita della batteria dello smartphone può raddoppiare e arrivare fino a 4 anni
• L’autonomia giornaliera della batteria aumenta consentendo all’utente di utilizzare lo smartphone più a lungo senza subire lo stress di continue e ripetute ricariche

Perché la durata della batteria diminuisce?

La durata della batteria non rimane costante per l'intera vita di uno smartphone: diminuisce lentamente nel tempo, man mano che la batteria si scarica e si ricarica.

Questo perché la reazione chimica che produce l'elettricità provoca la deposizione di sottili strati di litio sugli elettrodi, riducendo  la quantità di litio disponibile per generare elettricità e aumentando la resistenza interna della batteria.

Maggiore è la resistenza, maggiore è lo sforzo che la batteria deve esercitare per mantenere una tensione utilizzabile e quindi la quantità di energia che può produrre per carica diminuisce.

Perché alcune batterie esplodono?

Sono già disponibili batterie con densità di energia molto più elevata rispetto alle celle a base di litio, ma non sono sufficientemente sicure per l'uso nell'elettronica portatile.

"Più energia metti in una scatola, più pericolosa sarà", afferma il dottor Billy Wu, docente presso la Dyson School of Design Engineering dell'Imperial College London. “La sicurezza è assolutamente fondamentale e la gestione termica è fondamentale. Se una batteria si riscalda oltre gli 80°C, si colpisce quella che viene chiamata corsa termica, dove i componenti iniziano a decomporsi, ed è allora che può esplodere".

La causa specifica dei problemi di Samsung con le batterie che esplodono è sconosciuta, l'azienda cita solo "un problema con le celle della batteria".

Cosa succede dopo?

Nell'immediato, i progressi delle batterie arriveranno avvicinando le tecnologie agli ioni di litio esistenti ai loro limiti teorici, il che aumenterà la densità di potenza delle batterie.

Una tipica batteria agli ioni di litio che utilizza ossido di litio manganese ha una densità di potenza teorica di 280 Wh/kg, ma il prodotto finale ha solo 150 Wh/kg, quindi c'è sicuramente spazio per miglioramenti.

Sono inoltre in corso di elaborazione nuove e avanzate sostanze chimiche per batterie come il litio-zolfo e il litio-silicio, con aziende inglesi che stanno attualmente sviluppando la tecnologia.

Qual è il futuro della tecnologia delle batterie?

Le batterie allo stato solido potrebbero rappresentare il futuro: l'elettrolita liquido nella batteria potrebbe essere sostituito da una sostanza solida che fornirà significativi miglioramenti in termini di sicurezza.

Le batterie allo stato solido elimineranno la necessità dell'anodo di carbonio poroso e quindi rimuoveranno più peso dalla batteria che non contribuisce a generare energia.

Ma molto sul futuro delle batterie sembra riguardare un ritorno al passato, più precisamente potrebbe riguardare la reintroduzione delle batterie rimovibili. 

Per quanto riguarda il presente, invece, non ci resta che assumere delle abitudini di ricarica più responsabili e intelligenti per limitare l’inquinamento legato alle sostituzioni di batteria sempre più frequenti. 

Witty è l’alleato perfetto per prenderci cura del nostro presente.