Pubblicato originariamente sull'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Department of Energy National Labs, SLAC, Stanford Education News
L'aggiunta di polimeri e ignifugazione ai collettori di corrente di una batteria la rende più leggera, più sicura e circa il 20% più efficiente. Menlo Park, California . — In un approccio completamente nuovo per rendere le batterie agli ioni di litio più leggere, più sicure e più efficienti, gli scienziati dell'Università di Stanford e lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia hanno riprogettato uno dei componenti più pesanti della batteria:fogli di rame o foglio di alluminio noto come corrente collettori - quindi pesano l'80% in meno e spengono immediatamente qualsiasi incendio che divampa.Se adottata, hanno affermato i ricercatori, questa tecnologia potrebbe affrontare due obiettivi principali della ricerca sulle batterie:estendere l'autonomia di guida dei veicoli elettrici e ridurre il pericolo che laptop, telefoni cellulari e altri dispositivi prendano fuoco. Ciò è particolarmente importante quando le batterie vengono caricate molto velocemente, creando più tipi di danni alla batteria che possono causare incendi.
Il team di ricerca ha descritto il proprio lavoro in Nature Energy oggi.
"L'attuale collettore è sempre stato considerato un peso morto e fino ad ora non è stato sfruttato con successo per aumentare le prestazioni della batteria", ha affermato Yi Cui, professore presso SLAC e Stanford e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES ) che ha condotto la ricerca.
“Ma nel nostro studio, rendere il collettore più leggero dell'80% ha aumentato la densità di energia delle batterie agli ioni di litio – quanta energia possono immagazzinare in un dato peso – del 16-26%. È un grande salto rispetto all'aumento medio del 3% raggiunto negli ultimi anni."
Gli scienziati di Stanford e SLAC hanno riprogettato i conduttori di corrente, sottili lamine metalliche che distribuiscono la corrente da e verso gli elettrodi, per rendere le batterie agli ioni di litio più leggere, più sicure e più efficienti. Hanno sostituito il conduttore interamente in rame, al centro, con uno strato di polimero leggero rivestito di rame ultrasottile (in alto a destra) e incorporato ignifugo nello strato di polimero per spegnere le fiamme (in basso a destra). (Yusheng Ye/Università di Stanford)
Che siano sotto forma di cilindri o buste, le batterie agli ioni di litio hanno due collettori di corrente, uno per ciascun elettrodo. Distribuiscono la corrente che scorre dentro o fuori l'elettrodo e rappresentano dal 15% al 50% del peso di alcune batterie ad alta potenza o ultrasottili. La riduzione del peso di una batteria è di per sé desiderabile, consentendo dispositivi più leggeri e riducendo la quantità di peso che i veicoli elettrici devono trascinare in giro; immagazzinare più energia per un dato peso consente sia ai dispositivi che ai veicoli elettrici di durare più a lungo tra una ricarica e l'altra.
La riduzione del peso della batteria e dell'infiammabilità potrebbe anche avere un grande impatto sul riciclaggio, rendendo il trasporto delle batterie riciclate meno costoso, ha affermato Cui.
I ricercatori nel settore delle batterie hanno cercato di ridurre il peso dei collettori di corrente rendendoli più sottili o più porosi, ma questi tentativi hanno avuto effetti collaterali indesiderati, come rendere le batterie più fragili o chimicamente instabili o richiedere più elettrolita, il che aumenta il costo , ha affermato Yusheng Ye, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Cui che ha condotto gli esperimenti con lo studioso in visita Lien-Yang Chou.
Per quanto riguarda il problema della sicurezza, ha affermato:"Le persone hanno anche provato ad aggiungere ignifugo all'elettrolito della batteria, che è la parte infiammabile, ma puoi solo aggiungere così tanto prima che diventi viscoso e non conduca più bene gli ioni".
Un collettore di corrente riprogettato per le batterie agli ioni di litio rende le batterie più leggere, più efficienti dal punto di vista energetico e più sicure. Potrebbe anche ridurre i costi sostituendo il rame con polimeri più economici e riducendo i costi di trasporto delle batterie per il riciclaggio. (Laboratorio nazionale di accelerazione Greg Stewart/SLAC)
Dopo aver analizzato il problema, Cui, Ye e lo studente laureato Yayuan Liu hanno progettato esperimenti per realizzare e testare collettori di corrente basati su un polimero leggero chiamato poliimmide, che resiste al fuoco e resiste alle alte temperature create dalla ricarica rapida della batteria. Nel polimero è stato incorporato un ritardante di fiamma, il trifenilfosfato o TPP, che è stato poi rivestito su entrambe le superfici con uno strato ultrasottile di rame. Il rame non solo svolgerebbe il suo solito lavoro di distribuzione della corrente, ma proteggerebbe anche il polimero e il suo ritardante di fiamma.
Tali modifiche hanno ridotto il peso dell'attuale collettore dell'80% rispetto alle versioni odierne, ha affermato Ye, il che si traduce in un aumento della densità di energia del 16-26% in vari tipi di batterie e conduce la corrente proprio come i normali collettori senza degrado.
Se esposte a fiamme libere, le batterie a sacca agli ioni di litio realizzate con i collettori di corrente commerciali odierni (fila superiore) hanno preso fuoco e hanno bruciato vigorosamente fino a quando tutto l'elettrolito non è bruciato. Le batterie con i nuovi collettori ignifughi (fila inferiore) hanno prodotto deboli fiamme che si sono spente in pochi secondi e non si sono riaccese nemmeno quando gli scienziati hanno cercato di riaccenderle. (Yusheng Ye/Università di Stanford)
Se esposte a una fiamma libera da un accendino, le batterie a sacca realizzate con i collettori di corrente commerciali di oggi hanno preso fuoco e hanno bruciato vigorosamente fino a quando tutto l'elettrolito è bruciato, ha detto Ye. Ma nelle batterie con i nuovi collettori ignifughi, il fuoco non si è mai realmente acceso, producendo fiamme molto deboli che si sono spente in pochi secondi e non si sono riaccese nemmeno quando gli scienziati hanno cercato di riaccenderlo.
Uno dei grandi vantaggi di questo approccio, ha detto Cui, è che il nuovo collettore dovrebbe essere facile da produrre e anche più economico, perché sostituisce parte del rame con un polimero poco costoso. Quindi ampliarlo per la produzione commerciale, ha detto, "dovrebbe essere molto fattibile". I ricercatori hanno richiesto un brevetto tramite Stanford e Cui ha affermato che contatterà i produttori di batterie per esplorare le possibilità.
Questo lavoro è stato supportato dall'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office del DOE nell'ambito del programma XCEL (eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries).
Citazione: Yusheng Ye et al., Energia naturale , 15 ottobre 2020 (10.1038/s41560-020-00702-8)
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Immagini per gentile concessione di SLAC, Stanford Education News
