Il Titanato di litio (LTO, acronimo di Lithium Titanate Oxide) è un ossido misto di litio e titanio, con formula Li₄Ti₅O₁₂, che è emerso come un valido sostituto per gli anodi a base di grafite nelle batterie a ioni di litio. È impiegato come materiale anodico in piccole batterie per orologi al litio e ha dimostrato una notevole stabilità di ciclo e sicurezza sin dai primi anni ’90 in Giappone.
Attualmente, il titanato di litio e il fosfato di ferro e litio (LFP) sono i materiali anodici e catodici più comunemente utilizzati nelle micro-batterie stampate in 3D. Questi materiali vantano un’espansione volumetrica minima, capacità di alta velocità, elevata stabilità e sicurezza.
Indice Articolo
- Struttura e intercalazione
- Reazioni nelle batterie a titanato di litio
- Sintesi
- Processo sol-gel
- Reazione allo stato solido
- Ottimizzazione
- Applicazioni
- Trasporti elettrici pubblici e veicoli industriali
- Stazioni di ricarica rapida
- Sistemi di accumulo energetico (ESS)
- Applicazioni militari e aerospaziali
- Elettronica industriale e UPS
L’architettura cristallina del titanato di litio rappresenta uno dei principali motivi della sua eccellente stabilità ciclica e sicurezza, rendendolo ideale per applicazioni ad alta potenza e lunga durata, con il vantaggio di una più rapida ricarica rispetto ad altre batterie a ioni di litio.
Struttura e intercalazione
Il titanato di litio (Li₄Ti₅O₁₂) presenta una struttura cristallina a spinello inverso appartenente al gruppo spaziale Fd3̅m. In questa configurazione, circa ¾ degli ioni litio occupano i siti tetraedrici 8a, mentre i restanti ioni Li⁺ e Ti⁴⁺ sono distribuiti nei siti ottaedrici 16d con un rapporto di 1:5. Questa particolare struttura è fondamentale per la stabilità ciclica e la sicurezza delle batterie LTO.
Durante i cicli di carica e scarica, gli ioni di litio si muovono nel reticolo passando da un sito tetraedrico a un sito ottaedrico. Questo meccanismo di salto a bassa energia di attivazione consente una rapida diffusione degli ioni litio, anche ad alte correnti.
Un’unità formula di Li₄Ti₅O₁₂ può intercalare fino a tre ioni Li⁺ e relativi elettroni, trasformandosi in Li₇Ti₅O₁₂, con una struttura simile al salgemma (NaCl-like). La transizione tra la fase a spinello e la fase a salgemma avviene tramite un processo bifase, mantenendo una variazione volumetrica trascurabile.
Reazioni nelle batterie a titanato di litio
Il titanato di litio si distingue come materiale anodico per la sua stabilità ciclica e sicurezza, grazie alla capacità di intercalare reversibilmente gli ioni litio (Li⁺) senza significative deformazioni volumetriche.
Durante il funzionamento della batteria, i due elettrodi — il catodo (LiCoO₂) e l’anodo di titanato di litio (Li₄Ti₅O₁₂) — sono collegati da un circuito esterno. Questo permette il flusso degli elettroni e il trasporto degli ioni litio (Li⁺) attraverso un elettrolita. Durante la scarica, il LiCoO₂ rilascia ioni litio e elettroni:
Catodo (ossidazione):
3 LiCoO₂ → 3 CoO₂ + 3 Li⁺ + 3 e⁻
Contemporaneamente, all’anodo il titanato di litio intercalando i 3 ioni Li⁺ e i 3 elettroni si trasforma in Li₇Ti₅O₁₂:
Anodo (riduzione):
Li₄Ti₅O₁₂ + 3 Li⁺ + 3 e⁻ → Li₇Ti₅O₁₂
La reazione globale della cella è:
Li₄Ti₅O₁₂ + 3 LiCoO₂ → Li₇Ti₅O₁₂ + 3 CoO₂
Sintesi
Vi sono diverse strategie sintetiche per l’ottenimento del titanato di litio.
Processo sol-gel
Il processo sol-gel permette di ottenere polveri pure, controllando la morfologia e le dimensioni delle particelle. Per la preparazione della soluzione si solubilizzano nitrato di litio (LiNO₃) e tetrabutossititanato di titanio (Ti(OBu)₄) in una miscela di solventi organici e acqua. Si aggiunge un agente chelante come EDTA per evitare la precipitazione rapida. Il gel viene successivamente riscaldato per rimuovere i residui organici, seguito da calcinazione a 800–900 °C per 4–6 ore per ottenere la fase spinello Li₄Ti₅O₁₂.
Reazione allo stato solido
Il metodo tradizionale consiste nella miscelazione e reazione di ossidi o carbonati in fase solida. Polveri di biossido di titanio (TiO₂) e carbonato di litio (Li₂CO₃) sono macinate in un rapporto molare 5:2, con successiva calcinazione a 850–950 °C per 10–12 ore in atmosfera ossidante per ottenere il titanato di litio:
5 TiO₂ + 2 Li₂CO₃ → Li₄Ti₅O₁₂ + 2 CO₂
Ottimizzazione
L’introduzione di piccole quantità di Mg²⁺, Al³⁺ o Zr⁴⁺ per sostituire Ti⁴⁺ migliora la conducibilità elettronica e ionica. Agenti tensioattivi possono essere utilizzati per controllare la crescita delle particelle, riducendo l’aggregazione. Rivestimenti conduttivi possono essere impiegati per migliorare la rete di trasporto elettronico.
Questi metodi offrono ampie possibilità per ottimizzare le prestazioni elettrochimiche di Li₄Ti₅O₁₂, variando dimensioni, forma e purezza delle particelle.
Applicazioni
Le prime batterie commerciali al titanato di litio (LTO) sono state introdotte da Toshiba nel 2008 con il marchio SCiB™ (Super Charge Ion Battery). Queste batterie sono particolarmente adatte a contesti in cui affidabilità, sicurezza e rapidità di risposta sono fattori critici.
Trasporti elettrici pubblici e veicoli industriali
Le batterie LTO sono utilizzate in veicoli elettrici, come autobus urbani e tram, dove la ricarica rapida durante le soste è fondamentale. La lunga durata della batteria, che può superare i 15.000 cicli di carica/scarica, riduce i costi di sostituzione. Trovano impiego anche in veicoli industriali, come carrelli elevatori, grazie alla loro robustezza e capacità di ricarica flessibile.
Stazioni di ricarica rapida
Le batterie LTO sono ideali per stazioni di ricarica ultra-rapida per veicoli elettrici, accumulando energia durante i periodi di bassa richiesta e rilasciandola rapidamente in caso di necessità, contribuendo a mantenere l’equilibrio nella rete elettrica.
Sistemi di accumulo energetico (ESS)
Nel settore delle energie rinnovabili, le batterie LTO vengono utilizzate per stabilizzare la rete e bilanciare la produzione intermittente, grazie alla loro lunga vita operativa e capacità di risposta immediata a variazioni di energia.
Applicazioni militari e aerospaziali
In ambito militare e aerospaziale, le batterie LTO offrono sicurezza e affidabilità, operando in condizioni estreme e garantendo prestazioni costanti per migliaia di cicli. Sono utilizzate in droni e dispositivi di alimentazione d’emergenza.
Elettronica industriale e UPS
Infine, le batterie LTO vengono impiegate in sistemi di alimentazione di emergenza (UPS) e in apparati elettronici critici, assicurando continuità operativa in caso di blackout o instabilità nella rete elettrica.
