Molto più che auto volanti: l’analisi della batteria eVTOL rivela esigenze operative uniche

I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia stanno portando nei cieli trasporti più puliti creando e valutando nuove batterie per veicoli elettrici in volo che decollano e atterrano verticalmente.

Le fasi operative di un eVTOL necessitano di quantità variabili di potenza; alcuni richiedono che la batteria scarichi rapidamente elevate quantità di corrente, riducendo la distanza che il veicolo può percorrere prima che la batteria debba essere ricaricata. Crediti: Andy Sproles/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Questi velivoli, comunemente chiamati eVTOL, vanno dai droni per le consegne agli aerotaxi urbani. Sono progettati per sollevarsi in aria come un elicottero e volare utilizzando la portanza alare come un aeroplano. Rispetto agli elicotteri, gli eVTOL generalmente utilizzano più rotori che girano a una velocità inferiore, rendendoli più sicuri e silenziosi.

I veicoli elettrici in volo non sono solo macchine volanti e i ricercatori dell’ORNL concludono che le batterie eVTOL non possono essere semplicemente adattate dalle batterie delle auto elettriche. Finora questo è stato l’approccio dominante alla tecnologia, che è per lo più in fase di modellazione. I ricercatori dell’ORNL hanno adottato una strada diversa valutando come si comportano le batterie agli ioni di litio in caso di assorbimento di potenza estremamente elevato.

“Il programma eVTOL rappresenta un’opportunità unica per creare un nuovissimo tipo di batteria con requisiti e capacità molto diversi rispetto a quelli che abbiamo visto prima”, ha affermato Ilias Belharouak, un membro aziendale dell’ORNL che guida la ricerca.

I ricercatori stanno sviluppando nuovi materiali ad alta densità energetica, studiando come questi materiali si degradano in condizioni estreme e sviluppando sistemi di controllo delle batterie. “Ciò richiede di rispondere a domande sull’interazione tra sicurezza della batteria, durata del ciclo e stabilità alle alte temperature, bilanciando al contempo la necessità di brevi raffiche di alta potenza con le riserve di energia per il volo a lungo raggio”, ha affermato Belharouak.

IL primo grande asporto da un ampio progetto di ricerca eVTOL in corso presso ORNL è che le richieste di potenza e prestazioni per le batterie eVTOL possono ridurne significativamente la longevità e la durata.

A differenza delle batterie dei veicoli elettrici, che in genere si scaricano a una velocità costante, le batterie eVTOL necessitano di quantità variabili di energia per le fasi di volo come la salita, il volo stazionario e la discesa, con alcune fasi che richiedono elevate esplosioni di energia.

“Ora che sappiamo di più su ciò che è richiesto alla batteria eVTOL, dovremo progettare i sistemi in modo diverso per raggiungere questo obiettivo”, ha affermato il ricercatore capo dell’ORNL Marm Dixit. “Il nostro focus è fondamentale: cosa succede ai materiali sotto questi carichi specifici e condizioni operative? Stiamo cercando di capire i limiti della chimica della batteria di cui disponiamo ora, e poi di mettere a punto la batteria per colmare questo divario”.

Il team ORNL ha realizzato batterie agli ioni di litio presso l’impianto di produzione di batterie DOE situato presso ORNL e le ha fatte funzionare attraverso fasi di salita simulate di velivoli eVTOL. Gli scienziati hanno studiato cosa è successo all’interno della batteria durante il ciclismo – compresa la quantità di energia rapidamente accessibile durante l’impegnativa fase di decollo – quindi hanno successivamente testato i materiali della batteria per verificare la corrosione e altri cambiamenti chimici o strutturali.

L’indagine sistematica che collega i profili di volo reali al funzionamento fisico della batteria in tempo reale è rara. Tuttavia, si tratta di una base fondamentale per lo sviluppo di nuovi prodotti chimici per le batterie al fine di ottenere prestazioni di volo sicure.

Lo studio prevede il test di un nuovo elettrolita sviluppato da ORNL – un materiale attraverso il quale gli elettrodi scambiano ioni – rispetto all’attuale versione all’avanguardia utilizzata nelle batterie agli ioni di litio. Utilizzando i profili di missione eVTOL, l’elettrolita ORNL ha funzionato meglio, conservando più capacità durante le fasi di volo più impegnative.

Questi risultati dimostrano la necessità di diversificare il modo in cui vengono misurate le prestazioni della batteria, ha affermato Dixit. “La tua batteria non è solo la capacità alla fine di 1.000 cicli. È ciò che accade all’interno di un ciclo che ti dice se il tuo sistema funzionerà o si bloccherà. E la posta in gioco è molto più alta qui perché ti stai chiedendo quanto sia sicuro volare in aria. Questa è una domanda a cui non conosciamo la risposta, ancora.

I membri del gruppo di ricerca stanno lavorando su ulteriori miglioramenti all’elettrolito e ad altri componenti della batteria mentre spingono i limiti ingegneristici per potenza, carico utile e sicurezza della batteria. Recenti esperimenti hanno coinvolto la raccolta di dati del mondo reale dai voli dei droni sul campus del laboratorio, quindi l’utilizzo di tali informazioni per sviluppare un profilo personalizzato del carico e attingere alla batteria. Le batterie prodotte presso l’ORNL sono state quindi sottoposte agli stessi cicli.

Il finanziamento per il progetto è stato fornito dal laboratorio di ricerca del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell’esercito americano attraverso il programma di ricerca essenziale sulla potenza tattica e la propulsione versatile. I ricercatori dell’ORNL Anuj Bisht e Ruhul Amin e l’ex ricercatore dell’ORNL Rachid Essehli hanno contribuito alla ricerca, che ha utilizzato anche il Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura per utenti del DOE Office of Science presso l’ORNL.

L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.

Fonte: Laboratorio nazionale di Oak Ridge