Quando si parla di sviluppo di batterie, le novità non mancano. Da un progetto di batteria che potrebbe durare fino a 100 anni a una batteria a base d’acqua prodotta a metà del costo di quelle agli ioni di litio, sembra che ci sia sempre qualcosa di nuovo ed eccitante nel settore.

Ora, engegneri dell’Università della California, San Diego, hanno progettato nuove batterie agli ioni di litio ad alto contenuto energetico che funzionano in modo ottimale a temperature fredde e calde, secondo una dichiarazione dell’istituzione rilasciata lunedì.

Operazioni a temperature estreme

“È necessario operare ad alta temperatura in aree in cui la temperatura ambiente può raggiungere le tre cifre e le strade sono ancora più calde. Nei veicoli elettrici, i pacchi batteria si trovano tipicamente sotto il pavimento, vicino a queste strade calde”, ha spiegato Zheng Chen, professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e autore senior dello studio.

“Inoltre, le batterie si riscaldano anche solo per il passaggio di corrente durante il funzionamento. Se le batterie non sono in grado di tollerare questo riscaldamento ad alta temperatura, le loro prestazioni si degradano rapidamente”.

Il team di Chen ha effettuato dei test con i prototipi di batterie e ha scoperto che hanno mantenuto l’87,5% e il 115,9% della loro capacità energetica rispettivamente a -40 e 122 F (-40 e 50 C). Inoltre, i ricercatori hanno riferito che i prototipi avevano un’elevata efficienza coulombiana del 98,2% e del 98,7% a queste temperature, il che significa che le batterie possono essere sottoposte a più cicli di carica e scarica prima di smettere di funzionare.

Tuttavia, lo sviluppo delle nuove batterie non è stato un compito facile.

“Se si vuole una batteria con un’alta densità di energia, in genere si deve usare una chimica molto dura e complicata”, ha detto Chen. “Un’alta energia significa un maggior numero di reazioni, quindi una minore stabilità e un maggiore degrado. Realizzare una batteria ad alta energia che sia stabile è già di per sé un compito difficile; cercare di farlo in un ampio intervallo di temperature è ancora più impegnativo”.

Progettazione di un elettrolita a base di dibutiletere

Per superare questi ostacoli, il team ha inventato un elettrolita a base di etere dibutilico e ha ingegnerizzato il catodo di zolfo per renderlo più stabile, innestandolo in un polimero che impedisce allo zolfo di dissolversi nell’elettrolita.

Il risultato finale è stato quello di ottenere batterie con una durata molto più lunga rispetto alle tipiche batterie al litio e zolfo. “Il nostro elettrolita contribuisce a migliorare sia il lato catodico che quello anodico, garantendo un’elevata conduttività e stabilità interfacciale”, ha dichiarato Chen.

Le nuove batterie potrebbero ora consentire ai veicoli elettrici di viaggiare più a lungo con una singola carica nei climi freddi, alleviando al contempo la necessità di sistemi di raffreddamento per evitare il surriscaldamento dei pacchi batteria dei veicoli nei climi caldi. Ma prima il team deve aumentare la chimica della batteria, ottimizzarla per funzionare a temperature ancora più elevate e prolungarne ulteriormente la durata.

Lo studio è pubblicato nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS).

Abstract:

La capacità di funzionamento a tutte le temperature climatiche e l’aumento della densità energetica sono stati riconosciuti come due obiettivi cruciali, ma raramente sono stati raggiunti insieme nelle batterie al litio (Li) ricaricabili. In questa sede, abbiamo dimostrato un sistema elettrolitico utilizzando come unico solvente il dibutiletere monodentato con punti di fusione e di ebollizione bassi. La sua debole solvatazione conferisce una struttura di solvatazione aggregata e una bassa solubilità verso le specie di polisolfuro in una concentrazione elettrolitica relativamente bassa (2 mol L-1). Queste caratteristiche sono risultate fondamentali per evitare la crescita di dendriti e consentire efficienze coulombiane del Li metallo del 99,0%, 98,2% e 98,7% rispettivamente a 23 °C, -40 °C e 50 °C. Le celle a sacchetto che impiegano Li metallico sottile (50 μm) e poliacrilonitrile solforato ad alto carico (3,3 mAh cm-2) (rapporto di capacità negativo-positivo = 2) producono l’87,5% e il 115,9% della loro capacità a temperatura ambiente, rispettivamente a -40 °C e a 50 °C. Questo lavoro fornisce criteri di progettazione basati sui solventi per le celle a sacchetto Li-zolfo ad ampio intervallo di temperatura.

Source link