Test non distruttivi sulle batterie: sviluppato un nuovo metodo

Come funziona una batteria ricaricabile? Una batteria immagazzina energia elettrica in forma chimica. Al suo interno si trovano due elettrodi metallici e un mezzo chiamato elettrolita. Durante la scarica, avvengono reazioni chimiche in cui le particelle cariche migrano all'interno, mentre gli elettroni fluiscono attraverso il circuito esterno, fornendo energia elettrica. In una batteria ricaricabile, questo processo può essere invertito: la carica ripristina i processi chimici in modo che il dispositivo di accumulo dell'energia possa essere utilizzato di nuovo. Nel corso di molti cicli di carica, l'elettrolito si modifica, invecchia o può perdere, il che può rendere la batteria inutilizzabile o, nel peggiore dei casi, costituire un pericolo a causa della generazione di calore o di un'esplosione.

"Attualmente mancano metodi affidabili per il controllo non distruttivo delle condizioni della batteria, poiché la quantità e la composizione chimica dell'elettrolito non possono essere determinate attraverso l'alloggiamento con le tecniche convenzionali. È proprio qui che entra in gioco la nostra ricerca", spiega la coautrice Anne Fabricant, che ha partecipato agli esperimenti presso l'Helmholtz Institute Mainz (HIM) e il Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Berlino. "Esaminiamo le batterie utilizzando la cosiddetta risonanza magnetica da zero a ultra-basso campo. Per questa tecnica, gli involucri sono trasparenti e ci permettono di vedere l'interno". In questa tecnica diagnostica, nota anche come ZULF NMR, la risonanza magnetica nucleare viene misurata senza l'influenza di un forte campo magnetico esterno.

"Nei nostri test, siamo stati in grado di dimostrare la rilevazione diretta e la quantificazione sia del solvente che dei componenti del sale di litio degli elettroliti commerciali attraverso gli involucri metallici delle batterie", spiega il professor Dmitry Budker, che lavora presso l'HIM e l'Università Johannes Gutenberg di Mainz ed è uno dei campioni del metodo ZULF NMR. "Si trattava di celle di batteria realisticamente confezionate, comprese le cosiddette geometrie di celle a sacchetto utilizzate nei veicoli elettrici. Abbiamo così dimostrato il concetto e aperto la strada a un'applicazione pratica della tecnologia".

In futuro, l'NMR ZULF potrebbe essere utilizzato per verificare l'integrità delle batterie ricaricabili durante il funzionamento, nell'ambito delle misurazioni operative. Un argomento di crescente importanza, dato che queste batterie hanno molti usi, ad esempio in piccoli dispositivi mobili come telefoni cellulari e notebook, ma anche su larga scala nei veicoli elettrici. Sono particolarmente importanti per l'accumulo di energie rinnovabili. Inoltre, le misurazioni forniscono una comprensione più approfondita dei processi elettrochimici e dello sviluppo di tecnologie di celle per batterie di prossima generazione.

"La capacità di caratterizzare in modo non distruttivo il volume e la composizione dell'elettrolita supporta una progettazione superiore delle batterie e funge da strumento vitale per il controllo della qualità durante l'intero ciclo di vita delle celle", afferma il professor Alexej Jerschow, collaboratore chiave del progetto, della New York University, che ha ricevuto il Carl-Zeiss-Humboldt Research Award.

Il team di ricerca del professor Budker sta pianificando ulteriori esperimenti per migliorare la diagnostica. "Abbiamo molte idee su come rendere la rilevazione più accurata e veloce, su come esaminare batterie più grandi e su come rendere il processo più efficiente dal punto di vista dei costi", afferma Budker. "Sono convinto che, a lungo termine, questa tecnologia troverà posto accanto ad altri metodi diagnostici più invasivi".