Perché la batteria del telefono invecchia anche quando non viene usata: cosa succede al suo interno

Uno smartphone può restare spento per mesi, essere utilizzato pochissimo e ritrovarsi comunque con una batteria che ha perso parte della capacità rispetto a quando era nuova. Può sembrare un controsenso: se non viene usata, perché dovrebbe deteriorarsi? Il punto è che una batteria agli ioni di litio non è un semplice “serbatoio” in cui l’energia rimane immobile. Al suo interno continuano lentamente reazioni chimiche che, con il passare del tempo, modificano i materiali della cella.

Questo fenomeno prende il nome di invecchiamento a calendario, o calendar aging, e avviene anche quando il dispositivo è a riposo. È diverso dall’invecchiamento da cicli, o cycle aging, legato alle ripetute fasi di carica e scarica. Entrambi contribuiscono al deterioramento che, sul telefono, si manifesta come una progressiva riduzione della capacità massima della batteria. Nel primo caso, però, a incidere non è tanto l’uso dello smartphone quanto il semplice trascorrere del tempo.

Perché la batteria agli ioni di litio invecchia da sola?

Durante il normale funzionamento, gli ioni di litio si spostano tra due elettrodi, anodo e catodo, attraverso un materiale chiamato elettrolita. Quando il telefono è spento, viene meno la normale scarica dovuta all’utilizzo del dispositivo. La chimica interna, però, non si “congela”.

Elettrodi ed elettrolita restano a contatto e possono continuare a verificarsi reazioni parassite, cioè trasformazioni che non servono a produrre energia utile ma modificano lentamente i materiali della cella. Sono processi molto più lenti di quelli coinvolti nella normale carica e scarica, ma hanno mesi e anni a disposizione per accumulare i loro effetti. Nel tempo possono consumare una parte del litio disponibile e alterare le superfici degli elettrodi.

Questo non coincide con l’autoscarica, cioè la perdita spontanea di parte della carica immagazzinata durante l’inutilizzo. Nell'invecchiamento a calendario assume invece particolare importanza un altro effetto: la perdita irreversibile di capacità e l’aumento della resistenza interna dovuti alle trasformazioni che avvengono nella cella.

Cosa succede chimicamente dentro la batteria: il ruolo dello strato SEI

Uno dei protagonisti di questo processo ha un nome poco intuitivo: SEI, acronimo di Solid Electrolyte Interphase. È un sottilissimo strato che si forma sulla superficie dell’anodo in seguito alla decomposizione di alcune componenti dell’elettrolita.

La SEI non è un difetto. Al contrario, la sua formazione è fondamentale perché crea una barriera tra anodo ed elettrolita, limita ulteriori reazioni tra i due e allo stesso tempo lascia passare gli ioni di litio. Il problema è che questa pellicola protettiva non rimane perfettamente immutata per tutta la vita della cella.

Anche a batteria ferma, infatti, lo strato può continuare lentamente a crescere. Per formare nuovo materiale vengono consumate molecole dell’elettrolita e una parte del litio finisce intrappolata in composti che non possono più partecipare normalmente ai successivi cicli di carica e scarica. In termini tecnici si parla di perdita dell’inventario di litio, o Loss of Lithium Inventory.

Il litio “ciclabile” può essere immaginato come un insieme di palline che devono continuare a spostarsi avanti e indietro tra i due elettrodi. Se alcune vengono progressivamente tolte dal gioco e immobilizzate nelle reazioni secondarie, ne restano meno disponibili. La conseguenza è una batteria che riesce a immagazzinare meno energia rispetto a quando era nuova. Inoltre, l’ispessimento di questi strati superficiali può rendere più difficile il passaggio degli ioni e contribuire all’aumento della resistenza interna.

La SEI non è l’unica responsabile del degrado

L’invecchiamento di una batteria agli ioni di litio nasce in realtà dall’insieme di più fenomeni. Anche sul catodo, per esempio, l’elettrolita può subire reazioni di ossidazione e, con il tempo, possono verificarsi modifiche nei materiali che compongono gli elettrodi.

Questi cambiamenti possono ridurre la quantità di materiale effettivamente disponibile per immagazzinare e rilasciare gli ioni di litio, contribuendo alla perdita di capacità e, più in generale, al peggioramento delle prestazioni della cella.

Non tutte le batterie invecchiano allo stesso modo. La velocità con cui avvengono questi processi e la loro importanza dipendono dalla composizione degli elettrodi, dall’elettrolita, dalla progettazione della cella e dalle condizioni in cui è stata conservata. Due batterie della stessa età, dunque, possono ritrovarsi dopo qualche anno in condizioni pure sensibilmente diverse.

Cosa accelera le reazioni chimiche anche quando la batteria è a riposo

Il fatto che il calendar aging dipenda dal tempo non significa che proceda sempre con lo stesso ritmo. Due fattori particolarmente importanti sono la temperatura e lo stato di carica.

Le temperature elevate accelerano molte delle trasformazioni che avvengono all’interno della cella, comprese quelle indesiderate, e possono favorire la crescita della SEI, la decomposizione dell’elettrolita e altri fenomeni di degradazione. Il risultato è un invecchiamento a calendario più rapido.

Conta altresì la quantità di energia immagazzinata. A livelli di carica elevati cambiano i potenziali dei due elettrodi e possono essere favorite alcune reazioni secondarie: all’anodo può proseguire più rapidamente la crescita della SEI, mentre al catodo possono intensificarsi i fenomeni di ossidazione dell’elettrolita. L’effetto preciso dipende dalla chimica della cella e può diventare più marcato quando questa condizione si combina con il calore.

Una batteria poco usata può quindi essere comunque “vecchia”

Ecco perché contare soltanto i cicli di ricarica non racconta tutta la storia. Si possono considerare, per esempio, due smartphone identici prodotti nello stesso momento: uno viene utilizzato regolarmente, l’altro acceso poche volte e poi dimenticato per anni in un cassetto. Il secondo sarà stato utilizzato molto meno, ma la sua batteria non sarà rimasta chimicamente identica al giorno in cui è uscita dalla fabbrica.

Nel frattempo il degrado a calendario è proseguito. Quanto sia marcato dipende dalle condizioni di conservazione e dalla specifica composizione della cella, ma il principio rimane: non utilizzare una batteria non significa fermarne l’invecchiamento.

È anche per questo che “nuova” e “mai usata” non sono necessariamente sinonimi nel caso delle batterie ricaricabili. I cicli raccontano l’usura legata all’impiego, mentre il semplice trascorrere del tempo contribuisce a un’altra forma di deterioramento, più silenziosa ma inevitabile. Anche quando lo smartphone resta spento, insomma, la sua batteria continua a invecchiare.

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