Pubblicato originariamente da Berkeley Lab
La nuova tecnologia delle batterie sviluppata al Berkeley Lab potrebbe consentire il volo agli aerei elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL) e sovralimentare auto elettriche sicure a lungo raggio
Alla ricerca di una batteria ricaricabile in grado di alimentare veicoli elettrici (EV) per centinaia di miglia con una singola carica, gli scienziati hanno cercato di sostituire gli anodi di grafite attualmente utilizzati nelle batterie dei veicoli elettrici con anodi metallici al litio.
Ma mentre il litio metallico estende l'autonomia di un veicolo elettrico del 30-50%, riduce anche la vita utile della batteria a causa dei dendriti di litio, minuscoli difetti simili ad alberi che si formano sull'anodo di litio nel corso di molti cicli di carica e scarica. Quel che è peggio, i dendriti cortocircuitano le celle della batteria se entrano in contatto con il catodo.
Per decenni, i ricercatori hanno ipotizzato che gli elettroliti duri e solidi, come quelli realizzati in ceramica, avrebbero funzionato meglio per impedire ai dendriti di farsi strada attraverso la cellula. Ma il problema di questo approccio, secondo molti, è che in primo luogo non ha impedito la formazione o la "nucleazione" dei dendriti, come minuscole crepe nel parabrezza di un'auto che alla fine si sono estese.
Ora, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia, in collaborazione con la Carnegie Mellon University, hanno riportato sulla rivista Nature Materials una nuova classe di elettroliti morbidi e solidi, realizzati sia da polimeri che da ceramica, che sopprimono i dendriti in quella prima fase di nucleazione, prima che possano propagarsi e causare il guasto della batteria.
La tecnologia è un esempio delle collaborazioni multidisciplinari di Berkeley Lab tra le sue strutture per gli utenti per sviluppare nuove idee per assemblare, caratterizzare e sviluppare materiali e dispositivi per batterie allo stato solido.
Le tecnologie di accumulo di energia a stato solido come le batterie al litio metallico a stato solido, che utilizzano un elettrodo solido e un elettrolita solido, possono fornire un'elevata densità di energia combinata con un'eccellente sicurezza, ma la tecnologia deve superare diversi materiali e sfide di lavorazione.
La nostra tecnologia di soppressione dei dendriti ha implicazioni interessanti per l'industria delle batterie", ha affermato il coautore Brett Helms, uno scienziato del personale della Molecular Foundry di Berkeley Lab. "Con esso, i produttori di batterie possono produrre batterie al litio metallico più sicure con un'elevata densità di energia e una lunga durata del ciclo."
Helms ha aggiunto che le batterie al litio metallico prodotte con il nuovo elettrolita potrebbero essere utilizzate anche per alimentare gli aerei elettrici.
La chiave per la progettazione di questi nuovi elettroliti morbidi e solidi è stato l'uso di polimeri morbidi di microporosità intrinseca, o PIM, i cui pori erano riempiti con particelle di ceramica di dimensioni nanometriche. Poiché l'elettrolito rimane un materiale flessibile, morbido e solido, i produttori di batterie saranno in grado di produrre rotoli di fogli di litio con l'elettrolito come laminato tra l'anodo e il separatore della batteria. Questi sottoassiemi di elettrodi al litio, o LESA, sono interessanti sostituti per l'anodo di grafite convenzionale, consentendo ai produttori di batterie di utilizzare le loro linee di assemblaggio esistenti, ha affermato Helms.
Il team di Helms ha utilizzato i raggi X dell'Advanced Light Source del Berkeley Lab per creare immagini 3D dell'interfaccia tra il metallo di litio e l'elettrolita. (Credito:Brett Helms/Berkeley Lab)
Per dimostrare le caratteristiche di soppressione dei dendriti del nuovo elettrolita composito PIM, il team di Helms ha utilizzato i raggi X presso l'Advanced Light Source di Berkeley Lab per creare immagini 3D dell'interfaccia tra il metallo di litio e l'elettrolita e per visualizzare la placcatura e lo stripping del litio per un massimo a 16 ore ad alta corrente. È stata osservata una crescita continua e regolare del litio quando era presente il nuovo elettrolita composito PIM, mentre in sua assenza l'interfaccia mostrava segni rivelatori delle prime fasi della crescita dendritica.
Questi e altri dati hanno confermato le previsioni di un nuovo modello fisico per l'elettrodeposizione del litio metallico, che tiene conto sia delle caratteristiche chimiche che meccaniche degli elettroliti solidi.
Nel 2017, quando l'opinione comune era che fosse necessario un elettrolita duro, abbiamo proposto che un nuovo meccanismo di soppressione dei dendriti fosse possibile con un elettrolita solido morbido", ha affermato il coautore Venkat Viswanathan, professore associato di ingegneria meccanica e docente presso la Scott Institute for Energy Innovation presso la Carnegie Mellon University che ha condotto gli studi teorici per il lavoro. "È sorprendente trovare una realizzazione materiale di questo approccio con i compositi PIM".
Un vincitore nell'ambito del programma IONICS dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata-Energy (ARPA-E), 24M Technologies, ha integrato questi materiali in batterie di formato più grande sia per veicoli elettrici che per velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale, o eVTOL.
Sebbene ci siano requisiti di alimentazione unici per veicoli elettrici ed eVTOL, la tecnologia PIM a elettrolita solido composito sembra essere versatile e abilitante ad alta potenza", ha affermato Helms.
Allo studio hanno partecipato ricercatori del Berkeley Lab e della Carnegie Mellon University.
The Molecular Foundry e Advanced Light Source sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science ubicate insieme al Berkeley Lab.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA-E) e dal DOE Office of Science. Ulteriori finanziamenti sono stati forniti dall'Office of Workforce Development for Teachers and Scientists del DOE, che ha consentito agli studenti universitari di partecipare alla ricerca attraverso il programma Science Undergraduate Laboratory Internships.
Nuova Zelanda per testare Wisk eVTOL Flying Taxi
Fondato nel 1931 sulla convinzione che le più grandi sfide scientifiche siano affrontate al meglio dai team, il Lawrence Berkeley National Laboratory e i suoi scienziati hanno ricevuto 13 premi Nobel. Oggi, i ricercatori del Berkeley Lab sviluppano soluzioni energetiche e ambientali sostenibili, creano nuovi materiali utili, fanno avanzare le frontiere dell'informatica e sondano i misteri della vita, della materia e dell'universo. Scienziati di tutto il mondo si affidano alle strutture del laboratorio per la propria scienza della scoperta. Berkeley Lab è un laboratorio nazionale multiprogramma, gestito dall'Università della California per l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
L'Office of Science del DOE è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visita energy.gov/science.
Taxi volante, immagine per gentile concessione di Wisk Immagine in primo piano, una presa CCS in stile europeo su una Tesla Model 3. Questo è uno degli standard che l'India sta prendendo in considerazione per la ricarica dei veicoli elettrici. Foto di Tesla.