Chimica delle celle delle batterie per veicoli elettrici: elettrodi, elettroliti e separatori

LFP, NMC e NCA indicano i materiali dell’elettrodo positivo utilizzati in molte batterie per veicoli elettrici. Il loro abbinamento con grafite, silicio o un altro elettrodo negativo, insieme alla scelta di un elettrolita compatibile, determina l’accumulo di energia, il comportamento in ricarica e la durata della cella.

Battery Basics spiega come una cella immagazzina energia e trasporta ioni. Qui l’attenzione si concentra sui materiali e sul modo in cui vengono assemblati all’interno della cella.

Materiali dell’elettrodo positivo

L’elettrodo positivo, convenzionalmente chiamato catodo, influenza sia la quantità di carica immagazzinabile sia il potenziale dell’elettrodo. La tensione della cella è la differenza tra i potenziali dei due elettrodi.

NMC, NCA e NCMA

NMC significa ossido di litio, nichel, manganese e cobalto. NCM è un altro nome della stessa famiglia di ossidi stratificati.

Nella notazione NMC, numeri come 111, 622 e 811 indicano il rapporto molare approssimativo tra nichel, manganese e cobalto. NMC 811 ha un rapporto Ni:Mn:Co di 8:1:1. Le cifre seguono l’ordine degli elementi: NMC 532 e NCM 523 descrivono entrambi Ni:Mn:Co nel rapporto 5:3:2. Si tratta dei rapporti tra i metalli di transizione nel materiale catodico, non delle percentuali dell’intera cella. iScience: NCM523 composition in electrode manufacturing research (2020)

Aumentare il contenuto di nichel può accrescere la capacità del materiale di immagazzinare carica e ridurre la quota di cobalto. La sfida associata è mantenere la stabilità a stati di carica elevati. La fessurazione delle particelle e le reazioni con l’elettrolita possono accelerare l’invecchiamento, quindi i materiali ricchi di nichel richiedono un controllo accurato della struttura delle particelle e dei rivestimenti superficiali. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

NCA è ossido di litio, nichel, cobalto e alluminio. Anche questo materiale ha una struttura stratificata, in cui l’alluminio contribuisce a migliorare la stabilità termica. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021) LG Energy Solution: NCA cathode materials (2023) NCMA aggiunge alluminio a un sistema di ossido di nichel, cobalto e manganese. Secondo LG Energy Solution, l’alluminio contribuisce alla potenza erogata e alla sicurezza, mentre più nichel e meno cobalto riducono il costo dei materiali. LG Energy Solution: NCMA cathode materials (2023)

LFP

LFP è litio-ferro-fosfato, un materiale con struttura olivinica che non contiene né nichel né cobalto. Il reticolo di fosfato offre un’elevata stabilità termica e chimica, rendendolo interessante per celle durature meno dipendenti da questi metalli.

LFP opera a una tensione inferiore e immagazzina meno carica per grammo rispetto ai catodi ricchi di nichel ad alta capacità, limitando la densità energetica. La minore densità dell’elettrodo riduce anche l’energia che può essere contenuta in un dato volume. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025)

LFP presenta un’altra caratteristica distintiva: un ampio plateau di tensione relativamente piatto. Quando il litio entra ed esce, fasi ricche e povere di litio coesistono in gran parte dell’intervallo operativo del materiale. La tensione cambia poco in questa regione e, da sola, è quindi un indicatore poco preciso dello stato di carica. I sistemi di gestione della batteria devono combinare le misurazioni con un modello della cella. npj Computational Materials: LFP/graphite voltage behaviour and modelling (2024)

Battery Management System spiega la stima dello stato di carica; Battery Charging tratta i limiti di ricarica del veicolo.

LMFP

LMFP è litio-manganese-ferro-fosfato. Sostituire parte del ferro di LFP con manganese introduce un tratto a tensione più elevata nella curva di scarica, aprendo la strada a più energia da un catodo a base di fosfato.

Il vantaggio richiede ulteriore lavoro ingegneristico. Una bassa conducibilità elettronica e ionica può limitare la potenza, mentre la dissoluzione del manganese può accorciare la vita utile. Dimensioni delle particelle, rivestimenti di carbonio e rapporto manganese/ferro influenzano quanto del vantaggio di tensione rimane in un elettrodo reale.

Uno studio dell’Università di Warwick del 2025 ha confrontato materiali LMFP commerciali con LFP in celle a bottone da laboratorio con grafite. Il materiale con rapporto manganese/ferro di 80:20 forniva inizialmente il 18% di energia in più per massa di materiale attivo catodico rispetto a LFP a C/20, un basso regime di scarica. Prestazioni peggiori a regimi elevati e un calo di capacità più rapido hanno annullato il vantaggio durante una successiva prova di 100 cicli a C/3. Queste misure descrivono i materiali e le celle a bottone testati, non la densità energetica o la durata di una cella automobilistica. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025)

LMO e miscele di materiali catodici

LMO è ossido di litio e manganese, solitamente con struttura cristallina a spinello. I suoi percorsi tridimensionali di diffusione del litio favoriscono un’elevata potenza, ma la dissoluzione del manganese e la perdita di capacità possono limitarne la durata. ChemSusChem: LMO power characteristics and blended cathodes (2020) Nature Communications: manganese dissolution and LMO capacity loss (2019)

I produttori possono combinare materiali nello stesso elettrodo. Le miscele LMO/NMC sono un esempio; quelle LMFP/NMC un altro. Le proporzioni modificano il profilo di tensione, la densità dell’elettrodo e l’equilibrio tra potenza ed energia. Una miscela è fisicamente diversa da un pacco contenente celle separate con chimiche differenti. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025) ChemSusChem: LMO power characteristics and blended cathodes (2020)

Il confronto seguente riguarda materiali dell’elettrodo positivo abbinati a un elettrodo negativo adatto. Descrive tendenze, non specifiche fisse delle celle.

La struttura del pacco modifica il rapporto tra densità energetica della cella e del pacco. Questi effetti, compresi cell-to-pack e integrazione strutturale, sono trattati in Battery Pack & Configuration.

Materiali dell’elettrodo negativo

L’elettrodo negativo è convenzionalmente chiamato anodo. La grafite immagazzina litio tra i suoi strati di carbonio, il silicio forma leghe litio-silicio e gli elettrodi al litio metallico lo immagazzinano come metallo. Le celle agli ioni di sodio utilizzano un diverso sistema di materiali, descritto più avanti.

Grafite

La grafite contiene strati di carbonio che possono ospitare litio tra loro. Questo processo di accumulo, chiamato intercalazione, è reversibile ed è alla base delle celle convenzionali agli ioni di litio con anodo di grafite.

Gli elettrodi possono utilizzare grafite naturale, sintetica o miscele. Dimensione, forma e trattamento superficiale delle particelle influenzano la velocità con cui il litio entra nel materiale e la quantità di elettrolita che reagisce sulla superficie.

Durante la ricarica, il litio metallico può depositarsi sulla grafite anziché entrare nella sua struttura. È la deposizione di litio, o lithium plating. Una corrente di carica elevata e una temperatura bassa possono favorirla rendendo l’inserimento degli ioni troppo lento per la corrente imposta. Argonne / DOE review presentation: Anode Structures that Enhance Fast Charge (2020) Alcuni depositi possono tornare a partecipare ai cicli; altri diventano elettricamente isolati o reagiscono con l’elettrolita, riducendo il litio disponibile. Se i depositi attraversano il separatore, possono causare un cortocircuito interno. Nature Communications: lithium plating, inactive lithium and short-circuit mechanisms (2022)

Questo limite della grafite vale anche per le celle grafite/LFP. Un elettrodo positivo stabile non elimina un vincolo di ricarica dell’elettrodo negativo. Battery Thermal Management spiega come riscaldamento e raffreddamento aiutano a controllare queste condizioni.

Elettrodi contenenti silicio

Il silicio immagazzina litio formando leghe litio-silicio e può accumulare molta più carica per grammo della grafite. Cambia anche sensibilmente dimensione: la litiazione completa può aumentare il volume del materiale attivo di silicio di circa il 300%. Il dato riguarda il silicio stesso, non il rigonfiamento di un intero elettrodo o di una cella. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

Espansione e contrazione possono rompere le particelle e i loro collegamenti elettrici. Possono anche danneggiare l’interfase elettrolitica solida, o SEI: lo strato protettivo di reazione che si forma sull’elettrodo negativo. Ricostruire questo strato consuma elettrolita e litio che altrimenti resterebbero disponibili per i cicli.

I compositi grafite-silicio mantengono la grafite come struttura stabile e aggiungono silicio o composti a base di silicio, compresi gli ossidi di silicio. Particelle progettate appositamente e leganti flessibili aiutano ad assorbire il movimento; gli additivi dell’elettrolita favoriscono un’interfaccia più resistente.

Un forte aumento della capacità del materiale anodico produce un aumento più contenuto della densità energetica della cella finita. Elettrodo positivo, elettrolita, separatore, collettori e involucro contribuiscono comunque alla massa, e i due elettrodi devono avere capacità compatibili. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

Titanato di litio

Il titanato di litio, o LTO, è un materiale alternativo per l’elettrodo negativo. Opera a un potenziale più alto della grafite, offrendo maggiore margine contro la deposizione di litio e permettendo elevata potenza e cicli frequenti.

La sua struttura cristallina cambia pochissimo volume quando il litio entra ed esce, aiutandola a sopportare cicli ripetuti. LTO immagazzina anche meno carica per grammo della grafite. Insieme alla minore tensione di cella dovuta al potenziale anodico più alto, ciò riduce la densità energetica. Lancaster University: LTO structure and capacity, author manuscript

LTO è quindi adatto ad applicazioni in cui frequenza di ricarica e durata contano più della massima energia in poco spazio. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti associa LTO ad applicazioni ad alta potenza e lunga vita ciclica; le celle SCiB di Toshiba basate su LTO ne sono un esempio commerciale. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Toshiba: LTO-based SCiB cell characteristics

Litio metallico

Un elettrodo al litio metallico sostituisce grafite o silicio come materiale attivo dell’elettrodo negativo, offrendo una via verso una maggiore densità energetica della cella. Durante la ricarica, il litio si deposita sull’elettrodo negativo; durante la scarica viene rimosso.

Mantenere uniformi deposizione e rimozione è difficile. Le reazioni con l’elettrolita possono lasciare litio elettricamente isolato, consumare elettrolita e danneggiare il separatore. Questi processi collegano direttamente l’opportunità di maggiore densità energetica alle sfide di durata e sicurezza. US Department of Energy: lithium-metal cell failure mechanisms (2023)

Litio metallico descrive l’elettrodo negativo. Stato solido descrive il sistema elettrolitico. Possono essere utilizzati insieme, ma nessuno dei due termini richiede l’altro.

Sistemi di materiali agli ioni di sodio

Le celle agli ioni di sodio utilizzano materiali elettrodici ed elettroliti contenenti sodio. Il carbonio duro è uno dei principali materiali per l’elettrodo negativo, perché la grafite convenzionale immagazzina poco sodio con gli elettroliti a base di carbonati comunemente usati in queste celle. Nature Communications: sodium storage in hard carbon (2024)

Carbonio duro

Il carbonio duro presenta strati di carbonio disordinati, difetti e pori. L’accumulo del sodio coinvolge diversi siti e processi, tra cui l’immagazzinamento tra gli strati, presso i difetti e nei nanopori. I loro contributi relativi dipendono dalla struttura del carbonio e restano un tema di ricerca attivo.

Il precursore e il trattamento termico influenzano questa struttura. Aumentare la superficie accessibile può agevolare il trasporto, ma può anche esporre più superficie alle reazioni con l’elettrolita. Il sodio consumato nella formazione della SEI non è disponibile per il successivo accumulo reversibile di carica, riducendo l’efficienza del primo ciclo: la quota della prima carica recuperabile in scarica. Nature Communications: sodium storage in hard carbon (2024)

La capacità e la densità di impaccamento del carbonio duro limitano anche la densità energetica della cella finita. Una rassegna scientifica del 2026 identifica entrambe come sfide ancora aperte per celle agli ioni di sodio con maggiore energia. Nature Reviews Materials: sodium-ion anode capacity and density constraints (2026)

Famiglie di elettrodi positivi

Tre grandi famiglie offrono approcci differenti. Faraday Institution / Rho Motion: sodium-ion material families, printed pp. 43–44 (2023)

• Gli ossidi stratificati utilizzano combinazioni di metalli in strutture a strati. La combinazione di metalli e la struttura cristallina influenzano capacità e stabilità durante i cicli.
• I materiali polianionici utilizzano reticoli come fosfati e solfati. Le loro strutture tridimensionali possono favorire la durata, mentre densità energetica e conducibilità dipendono dal composto specifico.
• Gli analoghi del blu di Prussia hanno reticoli aperti che ospitano gli ioni di sodio. Il contenuto d’acqua e le vacanze nel reticolo ne influenzano la struttura e le prestazioni elettrochimiche. Chemistry – A European Journal: water, vacancies and sodium content in Prussian blue analogues (2025)

Le celle agli ioni di sodio possono evitare il litio e, con catodi adatti, anche nichel e cobalto. Materie prime meno costose non bastano da sole a garantire un prezzo inferiore della cella: contano anche energia immagazzinata, resa produttiva e scala di produzione. Le attuali dichiarazioni sui prodotti e il loro stato commerciale sono trattati in Latest in Battery Technology.

Come la costruzione degli elettrodi modifica le prestazioni

Un elettrodo convenzionale è un rivestimento poroso su un collettore di corrente metallico. Il materiale attivo immagazzina carica, gli additivi conduttivi collegano elettronicamente le particelle e un legante tiene unito il rivestimento e lo fissa alla lamina. L’elettrolita riempie i pori, permettendo agli ioni di raggiungere il materiale attivo.

Applicare più materiale attivo per unità di superficie della lamina può aumentare la densità energetica, distribuendo la massa di lamina e separatore su più energia immagazzinata. A parità di composizione e porosità del rivestimento, ciò significa un elettrodo più spesso e un percorso più lungo per gli ioni. Un elettrodo più sottile accorcia il percorso, al costo di più lamina e separatore per unità di energia accumulata.

I rivestimenti spessi sono anche più difficili da essiccare uniformemente. Fessure o una distribuzione disomogenea del legante possono comprometterne le prestazioni, quindi il rivestimento deve rimanere connesso, permeabile e meccanicamente integro. LBNL/DOE: high-energy-density electrode construction (2019)

La porosità descrive la frazione del rivestimento occupata da vuoti. Più spazio poroso può migliorare l’accesso dell’elettrolita, riducendo però la quantità di materiale attivo contenuta in un dato volume. Contano anche le connessioni tra i pori. La tortuosità descrive quanto siano indiretti i percorsi di trasporto: percorsi più rettilinei e meglio collegati possono migliorare il trasporto ionico senza aumentare il volume dei pori. In uno studio di laboratorio su elettrodi spessi sinterizzati, pori allineati conservavano più capacità di scarica a regimi di ciclaggio elevati rispetto a una struttura con frazione di volume poroso simile ma senza allineamento preferenziale. NIST: pore alignment and transport in thick electrodes (2021)

Queste scelte spiegano come due celle con gli stessi materiali attivi possano essere progettate per priorità diverse: immagazzinare più energia in uno spazio limitato, oppure accettare ed erogare quell’energia più rapidamente.

Elettroliti e interfacce protettive

Un elettrolita deve trasportare ioni limitando al tempo stesso le reazioni indesiderate su entrambi gli elettrodi. Una formulazione comune per celle agli ioni di litio utilizza esafluorofosfato di litio (LiPF₆) disciolto in una miscela di solventi carbonatici, come carbonato di etilene e carbonato di etile e metile. Le celle agli ioni di sodio usano sali di sodio compatibili. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Journal of Physics: Energy: current-collector corrosion and passivation (2021)

Gli additivi aiutano a controllare le reazioni sulle superfici degli elettrodi. Per esempio, carbonato di vinilene (VC) e carbonato di fluoroetilene (FEC) possono favorire interfacce protettive nelle celle contenenti silicio. La loro efficacia dipende dalla combinazione degli elettrodi e dalle condizioni operative; l’additivo può essere consumato o produrre prodotti di reazione indesiderati. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

SEI, CEI e formazione della cella

Una parte dell’elettrolita si decompone durante i primi cicli controllati di carica e scarica, detti formazione. La SEI risultante sull’elettrodo negativo aiuta a impedire ulteriori reazioni tra l’elettrodo carico e l’elettrolita. Deve lasciar passare gli ioni limitando il trasferimento di elettroni all’elettrolita.

Uno strato superficiale analogo sull’elettrodo positivo è chiamato interfase catodo-elettrolita, o CEI. La sua stabilità diventa particolarmente importante a potenziali elevati dell’elettrodo positivo.

Un’interfaccia stabile limita ulteriori reazioni dell’elettrolita. Uno strato che si fessura, si dissolve o cresce ripetutamente può aumentare la resistenza e ridurre la capacità disponibile. Ecco perché rivestimenti superficiali, additivi dell’elettrolita e processo di formazione sono parte integrante delle prestazioni della cella. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021) Le conseguenze a lungo termine sono spiegate in Battery Degradation.

Elettroliti liquidi, in gel e solidi

L’elettrolita liquido impregna un elettrodo poroso e raggiunge le superfici delle particelle. I sistemi in gel trattengono il liquido in una rete di supporto. Gli elettroliti solidi utilizzano materiali conduttori di ioni, come polimeri o composti inorganici, che richiedono un contatto adeguato con gli elettrodi.

Le celle allo stato solido possono mantenere materiali catodici comuni come NMC. L’elettrodo negativo può usare litio metallico o un materiale attivo alternativo come il silicio. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

Sostituire l’elettrolita liquido con uno solido modifica le interfacce. Gli strati di reazione possono aumentare la resistenza, e l’espansione e la contrazione del materiale attivo possono interrompere il contatto con un elettrolita solido rigido, bloccando il trasporto ionico. Mantenere un contatto a bassa resistenza è quindi un compito ingegneristico centrale. DOE / University of Maryland: solid-electrolyte interface engineering (2021) Nature Communications: volume change and contact loss in solid-state cells (2024)

Termini come semisolido e quasi solido possono indicare progetti che conservano liquido o gel. Identificare l’elettrolita e i due elettrodi offre una descrizione più chiara della sola etichetta «stato solido».

Separatori e collettori di corrente

Separatori

In una cella con elettrolita liquido, un separatore poroso tiene distanti gli elettrodi consentendo agli ioni di attraversare i pori riempiti di elettrolita. Materiali comuni sono polietilene e polipropilene; rivestimenti ceramici possono migliorare la resistenza al calore.

Alcuni separatori offrono un arresto termico: i pori si chiudono quando il polimero si ammorbidisce, limitando trasporto ionico e corrente. La protezione ha dei limiti. Un ulteriore riscaldamento può distruggere lo strato separatore, e perforazioni o altri danni possono creare un cortocircuito prima che l’arresto intervenga. Oak Ridge National Laboratory: separator materials and shutdown limits, section 3.1 (2023)

Spessore e struttura porosa del separatore influenzano anche la resistenza e lo spazio disponibile per il materiale attivo. Le protezioni a livello di cella e le misure a livello di pacco sono spiegate in Battery Safety.

Collettori di corrente

Le lamine metalliche trasportano elettroni tra i rivestimenti degli elettrodi e i terminali della cella. Le celle convenzionali agli ioni di litio con anodo di grafite usano solitamente rame sul lato negativo e alluminio su quello positivo.

La scelta dipende dal potenziale operativo dell’elettrodo e dalla sua interazione con l’elettrolita. L’alluminio può legarsi al litio al basso potenziale di un elettrodo di grafite carico, quindi in quel punto si usa rame. Ai potenziali dell’elettrodo positivo, il rame può ossidarsi e dissolversi. L’alluminio è protetto da un film superficiale, compreso uno strato ricco di fluoruri negli elettroliti convenzionali a base di LiPF₆. Journal of Physics: Energy: current-collector corrosion and passivation (2021)

LTO opera a un potenziale più alto della grafite e può usare alluminio anche sul lato negativo. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Anche le celle agli ioni di sodio possono usare collettori di alluminio su entrambi i lati, perché il sodio non forma elettrochimicamente leghe con l’alluminio a temperatura ambiente. Small: lithium/sodium chemistry and current-collector choices (2026)

Ridurre lo spessore del collettore diminuisce la massa inattiva, ma la lamina deve restare abbastanza resistente per la produzione e l’utilizzo. La disposizione di queste lamine rivestite, dei separatori e dei terminali è trattata in Cell Formats.