"Svolta significativa:" La soluzione di placcatura potrebbe portare a una maggiore autonomia e a una durata maggiore

Una nuova ricerca sui motivi per cui si verifica la placcatura agli ioni di litio sulle batterie potrebbe aprire la porta a una ricarica più rapida dei veicoli elettrici, a un’autonomia estesa e a una maggiore durata delle batterie.

La placcatura agli ioni di litio è emersa come un problema per le batterie dei veicoli elettrici perché può influire sulle prestazioni, rallentare l’accelerazione, influire sulle velocità di ricarica elevate e, in alcuni casi, comportare un aumento del rischio di incendio e di sicurezza.

Un nuovo studio, pubblicato su Nature, suggerisce che una soluzione che modifica la microstruttura di un anodo di grafite e cambia il modo in cui viene caricata una batteria potrebbe ridurre la quantità di placcatura agli ioni di litio che avviene nel tempo.

“Con l’aiuto di un modello pionieristico di batteria 3D, possiamo catturare quando e dove inizia la placcatura al litio e quanto velocemente cresce”, afferma il leader dello studio, il dottor Xuekun Lu della Queen Mary University di Londra.

“Si tratta di una svolta significativa che potrebbe avere un impatto importante sul futuro dei veicoli elettrici”.

La placcatura al litio avviene quando gli ioni di litio si accumulano su alcune parti della superficie dell'anodo.

Generalmente è causato dalla ricarica a basse temperature o dall’utilizzo di correnti elevate – un requisito delle infrastrutture di ricarica rapida – quando la superficie dell’anodo è temporaneamente satura di ioni di litio. Invece di "intercalarsi" o di entrare nella struttura dell'anodo, gli ioni si accumulano all'esterno sotto forma di uno strato metallico.

Nel corso del tempo piccoli accumuli potrebbero essere rimossi nelle scariche successive, ma altre volte il nuovo strato diventerà auto-rinforzante.

Una volta avviato, consuma litio che potrebbe essere utilizzato nella batteria, riduce la porosità dell'anodo per consentire l'ingresso di altri ioni di litio e riduce l'area dell'anodo che può reagire.

Ciò significa ora prestazioni ridotte della batteria, al punto da poter rallentare la capacità di accelerazione di un veicolo elettrico (EV), e una durata di vita più breve dell’unità. In alcuni casi, può causare cortocircuiti e incendi.

La ricerca su come risolvere questo problema, utilizzando la modellazione del campo di fase risolta microstrutturalmente in 3D ad alta fedeltà, è stata intrapresa da una collaborazione di ricercatori britannici e statunitensi provenienti da una serie di istituzioni leggendarie: si pensi al MIT, alla Faraday Institution, a Oxford e all'Università di Pechino. Istituto di Tecnologia, tra gli altri.

Ciò che hanno scoperto è che le particelle che compongono l’anodo non sono uniformi e quindi rendono più o meno probabile che gli ioni di litio si intercalino facilmente oppure no.

Manipolare le particelle dell'anodo in modo che siano più uniformi anziché distribuite casualmente consentirebbe una reazione più omogenea tra gli ioni di litio e l'anodo e impedirebbe la formazione di uno strato di litio in alcune aree ma non in altre, dice Lu.

Tuttavia, anche questo è piuttosto impegnativo.

Un’altra soluzione più semplice sarebbe cambiare la velocità di funzionamento dei caricabatterie.

Lo studio ha rilevato che la tensione a corrente costante non è adatta per la ricarica rapida a causa dell’elevata corrente che deve essere utilizzata.

I ricercatori hanno già esaminato una serie di opzioni diverse, come la corrente pulsata, la corrente variata, la corrente costante multistadio o un profilo ibrido che combina diverse modalità.

Gli autori dello studio affermano che per una carica completa molto rapida in 20 minuti, dovrebbe esserci un periodo di riposo di 3 minuti al 45% dello stato di carica (SOC) per un elettrodo con una capacità reale fino a 2 mAh cm−2 (capacità di scarica per area unitaria).

Per un elettrodo da 3 mAh cm−2, il tempo di rilassamento ottimale è al 45% di SOC per una carica di 20 minuti, al 30% di SOC per una carica che richiede 30 minuti più lenti e al 20% di SOC per una carica che richiede 60 minuti. minuti.

Dando alla batteria il tempo di "rilassarsi", si dà all'anodo il tempo di assorbire gli ioni di litio, aiuta il recupero rimuovendo qualsiasi litio placcato che è reversibile e riduce la perdita di capacità istantanea arrestando la formazione di ioni di litio. chiamato “litio morto”.

Rachel Williamson è una giornalista scientifica ed economica, che si concentra su questioni sanitarie e ambientali legate al cambiamento climatico.