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Il laboratorio nazionale di Argonne crea batterie agli ioni di litio che funzionano al freddo

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I ricercatori dell'Argonne National Lab ritengono di avere una soluzione per le batterie agli ioni di litio che non funzionano bene al freddo.

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Chi vive in climi freddi e guida un'auto elettrica sa che le batterie agli ioni di litio dell'auto non funzionano bene a temperature rigide. Non si caricano così velocemente e non vanno così lontano. È un problema, ma l'Argonne National Laboratory sostiene di avere la risposta.

In un post sul blog, gli scienziati dell'Argonne affermano che nelle attuali batterie agli ioni di litio, l'elettrolita liquido che serve a far viaggiare gli ioni tra il catodo e l'anodo durante la carica e la scarica della batteria inizia a congelare a temperature inferiori allo zero. Questa condizione limita fortemente l'efficacia della ricarica dei veicoli elettrici nelle regioni e nelle stagioni fredde.

Il Laboratorio Nazionale di Argonne potrebbe avere la risposta

Un team di scienziati dei laboratori nazionali Argonne e Lawrence Berkeley ha collaborato allo sviluppo di un elettrolita fluorurato che funziona bene anche a temperature inferiori allo zero. "La nostra ricerca ha dimostrato come sia possibile adattare la struttura atomica dei solventi elettrolitici per progettare nuovi elettroliti per temperature inferiori allo zero", afferma John Zhang, a capo del gruppo di ricerca dell'Argonne National Lab.

"Il nostro team non solo ha trovato un elettrolita antigelo le cui prestazioni di carica non diminuiscono a meno 4 gradi Fahrenheit, ma ha anche scoperto, a livello atomico, cosa lo rende così efficace", ha detto Zhang, che è un chimico senior e leader del gruppo nella divisione di scienze chimiche e ingegneria di Argonne. Questo elettrolita a bassa temperatura è promettente per le batterie dei veicoli elettrici, per l'accumulo di energia nelle reti elettriche e per l'elettronica di consumo come computer e telefoni.

Come funzionano le batterie agli ioni di litio

Non è necessario sapere come funziona una batteria per guidare un'auto elettrica, così come non è necessario sapere come funziona un motore a quattro tempi per guidare un'auto tradizionale. La maggior parte di noi probabilmente ha una conoscenza poco più che rudimentale del funzionamento delle batterie agli ioni di litio. Il laboratorio Argonne spiega che l'elettrolita utilizzato nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio oggi è una miscela di un sale ampiamente disponibile - l'esafluorofosfato di litio - e di solventi carbonati come il carbonato di etilene. I solventi sciolgono il sale per formare un liquido.

Quando una batteria viene caricata, l'elettrolita liquido trasporta gli ioni di litio dal catodo, che di solito è un ossido che contiene litio, all'anodo, che di solito è fatto di grafite. Questi ioni migrano dal catodo e poi passano attraverso l'elettrolita per arrivare all'anodo. Mentre vengono trasportati attraverso l'elettrolita, si trovano al centro di cluster di quattro o cinque molecole di solvente.

Durante le prime cariche, questi cluster colpiscono la superficie dell'anodo e formano uno strato protettivo chiamato interfase solido-elettrolita. Una volta formatosi, questo strato agisce come un filtro. Permette solo agli ioni di litio di passare attraverso lo strato, bloccando le molecole di solvente. È questo che permette all'anodo di immagazzinare gli atomi di litio nella struttura della grafite quando la batteria è carica. Durante la fase di scarica, le reazioni elettrochimiche rilasciano gli elettroni dal litio per generare elettricità che viene poi utilizzata per alimentare i veicoli elettrici.

Perché le prestazioni calano con il freddo

Quando la temperatura scende, l'elettrolita con i solventi di carbonato inizia a congelare. Questo a sua volta fa sì che perda la capacità di trasportare gli ioni di litio all'anodo durante la carica, perché gli ioni di litio sono così strettamente legati all'interno dei cluster di solvente. Di conseguenza, questi ioni richiedono un'energia molto più elevata per evacuare i loro cluster e penetrare nello strato di interfaccia rispetto a quanto avviene a temperatura ambiente. Gli scienziati ritenevano che la soluzione alle scarse prestazioni in condizioni di freddo fosse quella di trovare un solvente migliore che non congelasse.

Il team ha studiato diversi solventi infusi di fluoro ed è riuscito a identificare quello che presentava la barriera energetica più bassa per il rilascio degli ioni di litio dai cluster a temperatura inferiore allo zero. Hanno anche determinato su scala atomica perché quella particolare composizione funzionava così bene: dipendeva dalla posizione degli atomi di fluoro all'interno di ogni molecola di solvente e dal loro numero.

Nei test condotti su celle di laboratorio, l'elettrolita fluorato ha mantenuto stabile la capacità di accumulo di energia per 400 cicli di carica/scarica a meno 4 gradi Fahrenheit. Anche a quella temperatura, la capacità della batteria era equivalente a quella di una cella con un elettrolita convenzionale a base di carbonato a temperatura ambiente. "La nostra ricerca ha dimostrato come sia possibile personalizzare la struttura atomica dei solventi elettrolitici per progettare nuovi elettroliti per temperature inferiori allo zero", ha dichiarato Zhang.

L'elettrolita antigelo ha anche un importante vantaggio. È molto più sicuro degli elettroliti a base di carbonato attualmente utilizzati, poiché non prende fuoco. "Stiamo brevettando il nostro elettrolita a bassa temperatura e più sicuro e stiamo cercando un partner industriale per adattarlo a uno dei loro progetti di batterie agli ioni di litio", ha dichiarato Zhang.

I colleghi di Zhang all'Argonne sono Dong-Joo Yoo, Qian Liu e Minkyu Kim. Gli autori del Berkeley Lab sono Orion Cohen e Kristin Persson. Il lavoro è stato finanziato dal DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office.

Approfondimenti

La ricerca è spiegata con dovizia di particolari nella rivista Advanced Energy Materials. Non sono uno scienziato, né ho mai recitato in televisione. È una buona cosa, perché la prosa turgida della maggior parte degli scritti scientifici mi fa venire gli occhi lucidi. Se siete interessati a saperne di più su questa ricerca, vi incoraggio a seguire il link qui sopra e a mettervi a nudo. Il documento di ricerca ha il titolo accattivante di "Progettazione razionale di elettroliti fluorurati per batterie agli ioni di litio a bassa temperatura"

Molti lettori di CleanTechnica sono piuttosto esperti quando si tratta di cose alimentate dall'elettricità e so che molti di voi vogliono sapere se questo nuovo elettrolita ha qualche svantaggio negativo a temperatura ambiente o riduce la durata della batteria, due fattori che potrebbero impedire ai produttori di batterie di interessarsi a questa nuova tecnologia. Ecco un estratto della ricerca che potrebbe rispondere ad alcune di queste preoccupazioni.

"La ciclabilità a lungo termine ad alte velocità C e a basse temperature è considerata uno degli aspetti più difficili per le batterie agli ioni di litio. Per dimostrare la superiorità dei nostri elettroliti, abbiamo condotto test di ciclaggio a lungo termine in varie condizioni.

"Quando è stata applicata una corrente di 2 C a 25 °C, l'elettrolita di acetato di etile con fluoro è decaduto gradualmente fino a una conservazione della capacità del 73% dopo 400 cicli, mentre l'elettrolita di acetato di etile con l'additivo LiDFOB ha mostrato la migliore conservazione della capacità del 91% dopo 400 cicli. Questa tendenza continua con un'ulteriore corrente elevata di 6 C.

"Mentre la Gen 2 si degrada rapidamente al 34% entro 50 cicli, l'elettrolita con additivo LiDFOB ha mostrato la migliore conservazione della capacità, pari all'85% anche dopo 500 cicli. Quando è stata applicata una corrente di C/3 a -20 °C, gli elettroliti Gen 2 e acetato di etile hanno mostrato un grave degrado della capacità, corrispondente rispettivamente al 7,5% e al 34% di conservazione della capacità dopo 300 cicli.

"In netto contrasto, l'elettrolita di acetato di etile e fluoro con additivo LiDFOB ha mostrato una perdita di capacità trascurabile e ha mantenuto il 97% di capacità anche dopo 300 cicli. Inoltre, in tutte le condizioni di prova, le efficienze coulombiane dell'elettrolita EA-f con additivo LiDFOB sono state superiori a quelle degli altri elettroliti. I risultati di questo test ciclistico rivelano la superiore stabilità del nostro elettrolita per la ricarica rapida e le operazioni a bassa temperatura"

Il risultato

I motori a combustione interna di oggi hanno poche caratteristiche in comune con quelli di 100 anni fa, ad eccezione della premessa di base del motore a quattro tempi, che può essere ridotta alle sue fondamenta da questa frase: Succhiare, Spingere, Sbattere, Soffiare. Oggi la tecnologia delle batterie progredisce rapidamente, grazie a migliaia di ricercatori in tutto il mondo come il dottor Zhang e i suoi colleghi dell'Argonne National Lab.

Le scarse prestazioni in condizioni di freddo sono un problema che deve essere risolto prima che la rivoluzione dei veicoli elettrici possa essere considerata completa. Ci sono molte cose che non sappiamo sulle batterie agli ioni di litio con elettroliti fluorurati, a cominciare da come la presenza di fluoro influirà sulla produzione e sul riciclaggio delle batterie agli ioni di litio.

Dopo tutto, il fluoro è una sostanza chimica potente che danneggia lo strato di ozono quando entra nell'atmosfera. Inoltre, diverse chimiche di batterie, come il litio-ferro-fosfato, sembrano essere meno influenzate dalle basse temperature rispetto alle più comuni batterie NMC. Chissà come si comporteranno nel mondo reale le batterie al sodio o allo zolfo una volta uscite dai laboratori ed entrate nella produzione commerciale,

L'unica cosa di cui possiamo essere relativamente certi è che le batterie in uso tra dieci anni saranno tanto diverse da quelle di oggi quanto i transistor lo sono dai tubi a vuoto. La rivoluzione dei veicoli elettrici è appena iniziata. Non vediamo l'ora di vedere cosa succederà.