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Il nuovo sensore rivela che le batterie agli ioni di litio possono caricare in sicurezza 5 volte più velocemente

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia delle batterie,Scienza dei materiali,Energia rinnovabile,Sostenibilità,Università di Warwick,Batterie agli ioni di litio
Di LISA BARWICK, UNIVERSITÀ DI WARWICK 18 FEBBRAIO 2018



Questo è un sensore di temperatura della batteria al litio. WMG, Università di Warwick

I ricercatori della WMG dell'Università di Warwick hanno sviluppato un nuovo test diretto e preciso delle temperature interne delle batterie agli ioni di litio e dei potenziali degli elettrodi e hanno scoperto che le batterie possono essere caricate in sicurezza fino a cinque volte più velocemente degli attuali limiti di carica raccomandati. La nuova tecnologia funziona in situ durante il normale funzionamento di una batteria senza ostacolarne le prestazioni ed è stata testata su batterie standard disponibili in commercio. Tale nuova tecnologia consentirà progressi nella scienza dei materiali delle batterie, velocità di ricarica flessibili delle batterie, ingegneria termica ed elettrica di nuovi materiali/tecnologie delle batterie e ha il potenziale per aiutare la progettazione di sistemi di accumulo di energia per applicazioni ad alte prestazioni come le corse automobilistiche e il bilanciamento della rete .

Se una batteria si surriscalda, rischia gravi danni in particolare al suo elettrolita e può persino portare a situazioni pericolose in cui l'elettrolita si rompe per formare gas che sono entrambi infiammabili e causano un significativo accumulo di pressione. Il sovraccarico dell'anodo può portare a così tanta galvanica al litio da formare dendriti metallici e alla fine perforare il separatore causando un cortocircuito interno con il catodo e il successivo guasto catastrofico.

Per evitare ciò, i produttori stabiliscono una velocità o un'intensità di carica massima per le batterie in base a quelle che ritengono siano la temperatura cruciale e i livelli potenziali da evitare. Tuttavia, fino ad ora il test della temperatura interna (e l'acquisizione di dati sul potenziale di ciascun elettrodo) in una batteria si è dimostrato impossibile o poco pratico senza influire in modo significativo sulle prestazioni delle batterie.
I produttori hanno dovuto fare affidamento su una strumentazione esterna limitata. Questo metodo ovviamente non è in grado di fornire letture precise, il che ha portato i produttori ad assegnare limiti molto conservativi alla velocità o all'intensità di carica massima per garantire che la batteria non venga danneggiata o che, nel peggiore dei casi, subisca un guasto catastrofico.

Tuttavia, i ricercatori di WMG dell'Università di Warwick hanno sviluppato una nuova gamma di metodi che consentono il monitoraggio diretto e altamente preciso della temperatura interna e dello stato "per elettrodo" delle batterie agli ioni di litio di vari formati e destinazioni. Questi metodi possono essere utilizzati durante il normale funzionamento di una batteria senza ostacolarne le prestazioni ed è stato testato su batterie di classe automobilistica disponibili in commercio. I dati acquisiti con tali metodi sono molto più precisi del rilevamento esterno e il WMG è stato in grado di accertare che le batterie al litio disponibili in commercio oggi disponibili potrebbero essere caricate almeno cinque volte più velocemente degli attuali tassi di carica massimi raccomandati.

I ricercatori del WMG hanno pubblicato la loro ricerca questo mese (febbraio 2018) nel prestigioso? rivista Electrochimica Acta in un articolo intitolato "Comprensione dei limiti della ricarica rapida utilizzando celle Li-ion ad alta energia commerciali 18650 strumentate".

Il dottor Tazdin Amietszajew, il ricercatore del WMG che ha condotto questa ricerca, ha dichiarato:

“Ciò potrebbe portare enormi benefici ad aree come le corse automobilistiche che trarrebbero ovvi benefici dalla capacità di spingere i limiti delle prestazioni, ma crea anche enormi opportunità per i consumatori e i fornitori di accumulo di energia. La ricarica più rapida, come sempre, va a scapito della durata complessiva della batteria, ma molti consumatori apprezzerebbero la possibilità di caricare rapidamente la batteria di un veicolo quando sono necessari tempi di percorrenza brevi e quindi di passare a periodi di ricarica standard in altri momenti. Avere questa flessibilità nelle strategie di ricarica potrebbe anche/più in là aiutare i consumatori a beneficiare degli incentivi finanziari delle compagnie elettriche che cercano di bilanciare le forniture di rete utilizzando veicoli collegati alla rete.

"Questa tecnologia è pronta per essere applicata ora alle batterie commerciali, ma dovremmo garantire che i sistemi di gestione delle batterie sui veicoli e che l'infrastruttura installata per i veicoli elettrici siano in grado di ospitare tassi di ricarica variabili che includano questi nuovi profili/limiti sintonizzati con precisioneâ€

La tecnologia che i ricercatori di WMG hanno sviluppato per questo nuovo rilevamento diretto della batteria in situ impiega elettrodi di riferimento in miniatura e reticoli in fibra di Bragg (FBG) infilati attraverso uno strato di protezione dalla deformazione su misura. Uno strato esterno di etilene propilene fluorurato (FEP) è stato applicato sulla fibra, aggiungendo protezione chimica dall'elettrolita corrosivo. Il risultato è un dispositivo che può avere un contatto diretto con tutte le parti chiave della batteria e resistere alle sollecitazioni elettriche, chimiche e meccaniche inflitte durante il funzionamento delle batterie, pur consentendo letture precise di temperatura e potenziale.

Il professore associato del WMG, il dottor Rohit Bhagat, che era anche uno dei ricercatori del documento, ha dichiarato:

"Questo metodo ci ha fornito un nuovo design della strumentazione per l'uso su celle commerciali 18650" che riduce al minimo le alterazioni negative e precedentemente inevitabili alla geometria delle cellule. Il dispositivo includeva un elettrodo di riferimento in situ accoppiato con un sensore di temperatura a fibra ottica. Siamo fiduciosi che tecniche simili possano essere sviluppate anche per l'uso nelle cellule a sacchetto.â€

“Il nostro gruppo di ricerca in WMG ha lavorato su una serie di soluzioni tecnologiche a questo problema e questa è solo la prima che abbiamo portato alla pubblicazione. Speriamo di pubblicare il nostro lavoro su altri approcci innovativi a questa sfida entro il prossimo anno.â€

Pubblicazione: Tazdin Amietszajew, et al., "Comprensione dei limiti della ricarica rapida utilizzando celle agli ioni di litio ad alta energia 18650 commerciali strumentate", Electrochimica Acta, Volume 263, 10 febbraio 2018, pagine 346-352; doi:10.1016/j.electacta.2018.01.076