Più spessi, più densi, migliori: i nuovi elettrodi potrebbero essere la chiave per batterie avanzate

Sinterizzazione rapida assistita da campo elettrico e pressione per controllare l'allineamento del grafene in elettrodi compositi spessi per aumentare le prestazioni di stoccaggio del litio. Credito: Hongtao Sun, Penn State. Tutti i diritti riservati.

16 agosto 2023

Di Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — La domanda di batterie ad alte prestazioni, in particolare per l’uso nei veicoli elettrici, è in aumento mentre il mondo sposta il proprio consumo di energia verso un sistema più alimentato elettricamente, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e dando priorità agli sforzi di risanamento climatico. Per migliorare le prestazioni e la produzione delle batterie, ricercatori e collaboratori della Penn State hanno sviluppato un nuovo approccio di fabbricazione che potrebbe rendere le batterie più efficienti in grado di mantenere i livelli di energia e potenza.

Secondo Hongtao Sun, il metodo migliorato per fabbricare gli elettrodi delle batterie potrebbe portare a batterie ad alte prestazioni che consentirebbero veicoli elettrici più efficienti dal punto di vista energetico, oltre a vantaggi come il miglioramento dello stoccaggio nella rete elettrica. Sun è un assistente professore di ingegneria industriale e manifatturiera presso la Penn State e coautore dello studio, che è stato pubblicato e presentato sulla copertina di Carbon.

"Con le batterie attuali, vogliamo che ci permettano di guidare un'auto per distanze più lunghe, e vogliamo ricaricare l'auto in circa cinque minuti, 10 minuti, paragonabili al tempo necessario per fare benzina", ha detto Sun. “Nel nostro lavoro, abbiamo considerato come raggiungere questo obiettivo rendendo gli elettrodi e le celle della batteria più compatti, con una percentuale più elevata di componenti attivi e una percentuale inferiore di componenti passivi”.

Se un produttore di auto elettriche vuole migliorare l’autonomia di guida dei propri veicoli, aggiunge più celle alla batteria, arrivando a migliaia. Secondo Sun, più è piccolo e leggero, meglio è.

"La soluzione per percorrere distanze di guida più lunghe per un veicolo elettrico è semplicemente quella di aggiungere batterie compatte, ma con elettrodi più densi e spessi", ha detto Sun, spiegando che tali elettrodi potrebbero collegare e alimentare meglio i componenti della batteria, rendendoli più attivi. Questo approccio può ridurre leggermente le prestazioni della batteria in base al peso dell’elettrodo, ma migliora significativamente le prestazioni complessive del veicolo riducendo il peso del pacco batteria e l’energia necessaria per spostare il veicolo elettrico”.

Elettrodi più efficienti – una sorta di gateway per l’elettricità in una batteria – potrebbero aiutare a ottenere una batteria con una percentuale più elevata di componenti attivi.

"Se si pensa ai componenti principali all'interno di una batteria, solo l'elettrodo contribuisce alle prestazioni della batteria", ha affermato Sun. "Le altre parti come l'imballaggio, il separatore, il collettore di corrente e così via, sono tutti componenti passivi che aggiungono peso e non "Non contribuiscono affatto alle prestazioni della batteria. Se vogliamo migliorare le prestazioni della batteria, dobbiamo lavorare sui materiali degli elettrodi della batteria e massimizzare la loro percentuale di peso in una cella della batteria. "

“Con le batterie attuali, vogliamo che ci consentano di guidare un’auto per distanze più lunghe e vogliamo ricaricare l’auto in cinque minuti, 10 minuti, paragonabili al tempo necessario per fare il pieno di benzina”,

Hongtao Sun, assistente professore di ingegneria industriale e manifatturiera alla Penn State

I precedenti tentativi di migliorare le prestazioni della batteria tramite elettrodi migliori si concentravano su un solo parametro, che non era altrettanto efficace perché la batteria poi funzionava male su altri parametri di compromesso. Ad esempio, quando una batteria dà priorità a prestazioni gravimetriche elevate (la quantità di energia che può immagazzinare in relazione al suo peso), ciò può comportare prestazioni metriche areali ridotte (quanta carica può immagazzinare per unità di area) e/o prestazioni volumetriche ridotte ( la quantità di carica erogata rispetto alla dimensione della batteria).

Normalmente, le batterie sono costituite da elettrodi a film sottile anodo e catodo posti tra due lamine conduttrici di corrente e separati da separatori isolanti. Aumentare lo spessore di questi elettrodi potrebbe migliorare la capacità e la densità di accumulo di energia fornendo più spazio per immagazzinare e rilasciare energia. Un elettrodo più spesso può immagazzinare più cariche e quindi, come un serbatoio più grande può contenere più acqua, può trattenere più energia. Tuttavia, hanno anche uno scarso trasporto di carica, che ne riduce le prestazioni complessive.