IL batterie agli ioni di litio utilizzati per alimentare i veicoli elettrici sono fondamentali per un’economia basata sull’energia pulita. Ma i loro elettrodi sono generalmente realizzati utilizzando un impasto umido con solventi tossici, un approccio di produzione costoso che comporta rischi per la salute e l’ambiente.
I ricercatori ORNL hanno scoperto che una pellicola anodica della batteria, realizzata da Navitas Systems utilizzando un processo a secco, era resistente e flessibile. Queste caratteristiche rendono le batterie agli ioni di litio più sicure e durevoli. Credito immagine: sistemi Navitas
I primi esperimenti presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno rivelato vantaggi significativi per un processo di produzione di batterie a secco. Ciò elimina il solvente e mostra la promessa di fornire una batteria durevole, meno appesantita da elementi inattivi e in grado di mantenere un’elevata capacità di accumulo di energia dopo l’uso.
Tali miglioramenti potrebbero migliorare le batterie, promuovere una più ampia adozione di veicoli elettrici, contribuire a ridurre le emissioni di carbonio e raggiungere gli obiettivi climatici degli Stati Uniti.
La lavorazione a secco è un’alternativa relativamente nuova che consente di risparmiare spazio in fabbrica, nonché tempo, energia, smaltimento dei rifiuti e spese di avvio, ma fino ad ora i ricercatori avevano una comprensione limitata di come e perché funziona.
ORNL e il partner industriale Navitas Systems hanno analizzato il modo in cui il processo a secco influenza la struttura dei materiali delle batterie e le loro proprietà elettrochimiche. Le batterie generano energia mentre gli ioni di litio viaggiano tra gli elettrodi chiamati catodo e anodo.
Il team si è concentrato su una strategia di lavorazione a secco dell’elettrodo, che prevede la miscelazione di polveri secche con un legante, quindi la compattazione del materiale per migliorare il contatto tra le particelle. Questa strategia potrebbe essere applicata sia all’anodo che al catodo nelle batterie concentrandosi su determinati materiali o metodi di miscelazione.
Dopo che Navitas ha realizzato gli elettrodi, i ricercatori ORNL guidati da Jianlin Li e Runming Tao hanno misurato le loro prestazioni elettrochimiche in diverse condizioni in vari intervalli di tempo. Il team ORNL è riuscito a raggiungere una nuova comprensione di come si degradano gli elettrodi lavorati a secco.
Le batterie realizzate con il processo a secco hanno mostrato una capacità “superba” di mantenere la loro capacità dopo un uso prolungato, secondo risultati riportati in Rivista di ingegneria chimica.
Sono “altamente desiderabili dal punto di vista chimico” perché la loro struttura consente agli ioni di litio di prendere un percorso più diretto tra l’anodo e il catodo, hanno scoperto i ricercatori. Gli elettrodi sono più spessi per consentire un maggiore carico di energia riducendo gli ingredienti inattivi che aumentano le dimensioni e il peso.
“Ci sono più materiali attivi nell’elettrodo”, ha detto Tao. “E anche dopo il ciclismo, avrà poche crepe.” Questi due vantaggi riflettono un’elevata densità energetica e una buona ciclabilità a lungo termine. L’elettrodo può piegarsi e flettersi bene, dimostrando un’eccellente resistenza meccanica e la capacità di avvolgimento necessaria per la produzione in serie di batterie.
Il processo a secco potrebbe offrire una serie di vantaggi ai produttori e alla catena di fornitura degli Stati Uniti: è altamente compatibile con le attuali apparecchiature di produzione di elettrodi all’avanguardia, mentre il suo ridotto impatto ambientale rende gli impianti di batterie adatti in più luoghi.
“Quando guardi le fabbriche su scala gigante, stai guardando miliardi di dollari per aumentare le batterie”, ha affermato Bryan Steinhoff, responsabile tecnico e ricercatore capo del progetto per Navitas.
“La lavorazione a secco può eliminare le apparecchiature di rivestimento e solvente attualmente necessarie per la produzione di batterie su larga scala. Se invece puoi utilizzare un processo a secco, puoi ridurre il tuo footprint fino al 40 o 50%, risparmiando centinaia di milioni di dollari e iniziando a consentire la creazione di un’infrastruttura per sostituire quella che al momento dipende in gran parte dall’Asia. “
Il prossimo passo nella ricerca è la stabilizzazione del materiale che attacca i componenti dell’anodo a un sottile collettore di corrente metallico.
“Uno degli obiettivi principali di questo progetto è sviluppare o identificare un legante migliore per il processo a secco, poiché l’attuale legante non è molto stabile per l’ambiente anodico”, ha affermato Li. Il team sta anche lavorando per ridurre la quantità di nerofumo, un materiale che mantiene la conduttività della batteria ma ne riduce la densità energetica.
I ricercatori ORNL e Navitas continuano a perfezionare il processo per migliorare le prestazioni elettrochimiche. L’obiettivo è bilanciare i vantaggi e gli svantaggi dell’elettrodo più spesso: ha il potenziale per un maggiore carico di energia ed è facile da far rotolare, ma può fornire meno energia, poiché gli ioni devono viaggiare di più.
La ricerca è stata sponsorizzata dal DOE Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office e condotta presso il Battery Manufacturing Facility del DOE, il più grande centro di ricerca e sviluppo di batterie ad accesso aperto del paese. Una parte della caratterizzazione dei materiali è stata condotta presso il Center for Nanophase Materials Sciences dell’ORNL, una struttura per gli utenti dell’Office of Science del DOE.
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