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I conduttori di corrente ridisegnati aumentano l'efficienza e la sicurezza della batteria agli ioni di litio

2022-01-07

L'aggiunta di polimeri e ignifugo ai collettori di corrente di una batteria la rende più leggera, più sicura e circa il 20% più efficiente.

 

In un approccio completamente nuovo per rendere le batterie agli ioni di litio più leggere, più sicure e più efficienti, gli scienziati della Stanford University e lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia hanno riprogettato uno dei componenti più pesanti della batteria: fogli di rame o fogli di alluminio noti come collettori di corrente â 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 su Nature Energy il 15 ottobre 2020.

 

"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 allo SLAC e Stanford e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials e Scienze dell'energia (SIMES) che hanno guidato 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%. Questo è un grande salto rispetto all'aumento medio del 3% raggiunto negli ultimi anni.â

Rispetto agli attuali collettori delle attuali batterie agli ioni di litio, una nuova versione progettata dagli scienziati di Stanford e SLAC 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. Credito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

 

Cerca disperatamente di perdere peso

 

Che siano sotto forma di cilindri o sacchetti, le batterie agli ioni di litio hanno due collettori di corrente, uno per ciascun elettrodo. Distribuiscono la corrente che fluisce 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 detto: "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". ½

Progettazione di un sandwich in lamina polimerica

 

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 ignifugo “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.

 

Queste modifiche hanno ridotto il peso del collettore di corrente dell'80% rispetto alle versioni di oggi, 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 altrettanto bene collettori senza degrado.

 

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 aumentarlo per la produzione commerciale, ha detto, "dovrebbe essere molto fattibile". I ricercatori hanno richiesto un brevetto a Stanford e Cui ha detto che contatteranno i produttori di batterie per esplorare le possibilità.

 

Riferimento: "Collettori di corrente ultraleggeri ed estinguenti per batterie agli ioni di litio ad alta energia e ad alta sicurezza" di Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan , Kai Liu, Guangmin Zhou, Yufei Yang, Ankun Yang, Xin Xiao, Xin Gao, David Thomas Boyle, Hao Chen, Wenbo Zhang, Sang Cheol Kim e Yi Cui, 15 ottobre 2020, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8

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).