Novità del settore

I conduttori di corrente riprogettati aumentano l'efficienza e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia della batteria,Energia,Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC,Batteria agli ioni di litio
By LABORATORIO NAZIONALE ACCELERATORE SLAC 26 OTTOBRE 2020



Gli scienziati di Stanford e dello SLAC hanno ridisegnato 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 in rame ultrasottile (in alto a destra) e ignifugo incorporato nello strato di polimero per spegnere le fiamme (in basso a destra). Credito: Yusheng Ye/Università di Stanford

L'aggiunta di polimeri e ignifugazione ai collettori di corrente di una batteria lo rende più leggero, più sicuro e circa il 20% più efficiente.

In un approccio completamente nuovo per rendere le batterie agli ioni di litio più leggere, sicure ed efficienti, gli scienziati della Stanford University e il National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia SLAC hanno riprogettato uno dei componenti delle batterie più pesanti: fogli di rame o fogli di alluminio noti come collettori di corrente, quindi pesano l'80% in meno e estinguono immediatamente eventuali incendi che divampano.

Se adottata, hanno affermato i ricercatori, questa tecnologia potrebbe raggiungere 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 in modo super veloce, 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 a Stanford e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials ed Energy Sciences (SIMES) che ha 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%. Si tratta di un grande salto rispetto all'aumento medio del 3% raggiunto negli ultimi anni.â€



Rispetto agli attuali collettori delle odierne 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 il costo del trasporto delle batterie per il riciclaggio. Credito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Alla disperata ricerca di perdita di peso

Che si presentino sotto forma di cilindri o buste, le batterie agli ioni di litio hanno due collettori di corrente, uno per ogni elettrodo. Distribuiscono la corrente che scorre dentro o fuori l'elettrodo e rappresentano dal 15% fino al 50% del peso di alcune batterie ad alta potenza o ultrasottili. Ridurre il peso di una batteria è di per sé desiderabile, consentendo dispositivi più leggeri e riducendo la quantità di peso che i veicoli elettrici devono portare 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 e dell'infiammabilità delle batterie potrebbe anche avere un grande impatto sul riciclaggio, rendendo meno costoso il trasporto di batterie riciclate, 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 detto Yusheng Ye, un 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 ritardante di fiamma all'elettrolita della batteria, che è la parte infiammabile, ma è possibile aggiungere solo così tanto prima che diventi viscoso e non conduca più bene gli ioni". €



In uno studio a Stanford e SLAC, le batterie a sacchetto agli ioni di litio realizzate con i collettori di corrente commerciali di oggi (fila superiore) hanno preso fuoco se esposte a una fiamma libera e hanno bruciato vigorosamente fino a quando tutto l'elettrolito non è bruciato. Le batterie con i nuovi collettori ignifughi (fila inferiore) hanno prodotto fiamme deboli che si sono spente in pochi secondi e non si sono riaccese anche quando gli scienziati hanno cercato di riaccenderle. Credito: Yusheng Ye/Università di Stanford

Progettare un sandwich con pellicola 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 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 farebbe 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 del collettore di corrente 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 altrettanto bene collettori senza alcun degrado.

Se esposte a una fiamma libera di un accendino, le batterie a sacchetto 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 veramente acceso, producendo fiamme molto deboli che si sono spente in pochi secondi e non si sono riaccese anche 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 fabbricare 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 attraverso 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 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 eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries (XCEL).