Tessere gli elettrodi delle batterie secondarie con fibre e legarli come corde per ottenere durata e prestazioni
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Un team di ricerca congiunto guidato dal dottor Gyujin Song del Korea Institute of Energy Research (Presidente: Yi, Chang-Keun, di seguito "KIER"), dal dottor Kwon-Hyung Lee dell'Università di Cambridge e dal professor Tae-Hee Kim dell'Università di Ulsan ha sviluppato con successo una nuova tecnologia di produzione a secco per gli elettrodi delle batterie secondarie che supera i limiti dei processi di fabbricazione degli elettrodi convenzionali.
Celle di tipo Pouch fabbricate con la tecnologia sviluppata (dall'alto cella con anodo di litio metallico, cella con anodo di grafite)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
La tecnologia sviluppata dal team di ricerca è un processo di produzione a secco che forma una struttura a doppia fibra all'interno dell'elettrodo, creando contemporaneamente fibre sottili "a filo" e spesse "a corda". Questa architettura a doppia fibra (dual-fibrous) consente alla tecnologia di affrontare contemporaneamente i problemi di bassa resistenza alla miscelazione e di degrado delle prestazioni dei processi a secco convenzionali.
I metodi di produzione degli elettrodi per le batterie secondarie si dividono in processi a umido e a secco, a seconda dell'utilizzo di un solvente. Nel processo a umido, viene utilizzato un legante disciolto in un solvente come adesivo, che assicura una miscelazione uniforme dei materiali degli elettrodi. Grazie all'elevata affidabilità del processo e ai vantaggi in termini di garanzia delle prestazioni, il processo a umido è attualmente il metodo predominante per la fabbricazione degli elettrodi.
Legante: materiale polimerico utilizzato nella produzione di elettrodi secondari che tiene insieme componenti come il materiale attivo (che immagazzina energia elettrica) e l'additivo conduttivo (che trasporta la corrente elettrica), in modo che l'elettrodo possa mantenere stabilmente la sua forma.
Tuttavia, questa tecnica si basa su solventi organici tossici, il che comporta un pesante onere ambientale, e i tempi di essiccazione e recupero del solvente sono lunghi, con conseguenti costi di produzione elevati. Di conseguenza, di recente è cresciuto l'interesse per lo sviluppo di tecnologie di processo a secco che non utilizzano solventi.
Il processo a secco non utilizza solventi, il che consente una lavorazione più rapida e contribuisce a ridurre l'inquinamento ambientale e il consumo energetico. Tuttavia, poiché non c'è un solvente per sciogliere il legante, è possibile utilizzare solo una gamma limitata di materiali leganti, come il politetrafluoroetilene (PTFE), che si allunga in strutture simili a fibre e tiene fisicamente insieme le particelle.
PTFE (Politetrafluoroetilene): un materiale con un'eccellente resistenza al calore e agli agenti chimici, ampiamente conosciuto nella vita quotidiana come Teflon (marchio di DuPont, USA) utilizzato per i rivestimenti delle padelle.
Di conseguenza, nei processi a secco convenzionali è stato difficile mescolare uniformemente i materiali elettrodici e la scarsa coesione della miscela ha portato a preoccupazioni persistenti circa il degrado delle prestazioni e della durata delle batterie finite.
Per superare le limitazioni strutturali del processo a secco, i ricercatori non hanno cambiato il materiale del legante PTFE convenzionale, ma hanno controllato la struttura fisica dello stesso materiale per creare un legante PTFE con una struttura "a doppia fibra".
Il team di ricerca ha progettato un processo originale a più fasi che divide l'aggiunta del legante da un'unica fase in due fasi. In primo luogo, aggiungono una piccola quantità di legante ed eseguono una fase di miscelazione primaria, formando una rete fibrosa fine e "filiforme" che collega densamente il materiale attivo e l'additivo conduttivo. Poi, in una fase di miscelazione secondaria, aggiungono il legante rimanente in modo da mantenere la rete fibrosa esistente e formare un'ulteriore struttura fibrosa spessa e robusta "a corda".
La rete fibrosa fine e "filiforme" che ne deriva disperde uniformemente i materiali costituenti, come il materiale attivo e l'additivo conduttivo, rendendo le reazioni più uniformi e migliorando le prestazioni della batteria. Inoltre, le fibre spesse e "a corda" legano saldamente l'intero elettrodo, aumentandone significativamente la resistenza e la stabilità meccanica e migliorando la durata necessaria per i processi di produzione di massa.
Inoltre, l'analisi della mappatura elettrochimica della reazione-resistenza ha mostrato che tutte le regioni dell'elettrodo presentano caratteristiche di resistenza e cinetiche di reazione rapide e uniformi. Questo è un fattore chiave per ridurre al minimo la perdita di energia durante il funzionamento della batteria, per prevenire il degrado delle prestazioni in aree specifiche e quindi per estendere la durata complessiva della cella.
Nelle valutazioni delle prestazioni, l'elettrodo a secco sviluppato dal team di ricerca ha raggiunto un'elevata capacità areale di 10,1 mAh/cm². Una cella anodica al litio metallico di tipo pouch che utilizza questo elettrodo ha raggiunto una densità energetica di 349 Wh/kg, circa il 40% in più rispetto agli elettrodi commerciali, che si aggirano intorno ai 250 Wh/kg. Inoltre, una cella a sacchetto che utilizzava un anodo di grafite ha raggiunto una densità energetica di 291 Wh/kg, mostrando un valore superiore di circa il 20% rispetto a quello di una cella a processo umido nelle stesse condizioni.
Il Dr. Gyujin Song, che ha guidato la ricerca, ha dichiarato: "Questo studio è molto significativo in quanto abbiamo stabilito una tecnologia di processo originale in grado di risolvere simultaneamente le due sfide principali degli elettrodi a secco: uniformità elettrochimica e durata meccanica. Ci aspettiamo che non solo aumenti la competitività dei costi dell'industria delle batterie secondarie, ma che sia anche applicabile ai veicoli elettrici e ai sistemi di stoccaggio dell'energia (ESS), che richiedono un'elevata densità energetica".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Kwon-Hyung Lee, Hyeongseok Shim, Sang Hyun Lee, Hyeong-Jong Kim, Chanhyun Park, Jingyu Choi, Seok-Ju Lee, Young-Kuk Hong, Jihong Lyu, Jin Chul Kim, Sijeong Park, Hyungyeon Cha, Wooyoung Jin, Jinsoo Kim, Sinho Choi, Sang-Young Lee, Sung-Kyun Jung, Michael De Volder, Tae-Hee Kim, Gyujin Song; "Dual-fibrous PTFE structure enabling uniform and thick dry electrodes for high-energy-density and long-lasting batteries"; Energy & Environmental Science, Volume 18, 2025
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