Il KAIST individua una soluzione per batterie per veicoli elettrici a ricarica più rapida e maggiore durata
Un gruppo di ricerca utilizza un "gemello digitale" 3D per individuare i meccanismi di degrado localizzati durante la ricarica rapida
Annunci
È possibile ricaricare rapidamente i veicoli elettrici senza compromettere la durata della batteria? Un gruppo di ricerca del KAIST ha individuato una possibile soluzione utilizzando un “gemello digitale” tridimensionale, ovvero un modello virtuale che ricrea la microstruttura interna di un vero elettrodo di batteria. Il gruppo ha scoperto che le prestazioni di ricarica rapida e il comportamento di degrado sono influenzati non solo dalla quantità di materiali e dallo spazio poroso all’interno dell’elettrodo, ma anche dalla loro distribuzione.
Il KAIST (Presidente Choongsik Bae) ha annunciato il 24 agosto che un gruppo di ricerca guidato dal professor Kang Taek Lee del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, in collaborazione con la professoressa EunAe Cho del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, ha realizzato un gemello digitale 3D basato sulla microstruttura e sulle specifiche di un anodo in grafite disponibile in commercio. Utilizzando il modello, i ricercatori hanno analizzato quantitativamente i meccanismi di degrado localizzato che si verificano durante la ricarica rapida.
L’anodo di una batteria agli ioni di litio è costituito da grafite, che immagazzina il litio; da un legante che tiene unite le particelle di grafite; e da uno spazio poroso riempito di elettrolita in cui si muovono gli ioni di litio. Quando una batteria viene caricata, gli ioni di litio si spostano nelle particelle di grafite dell’anodo, dove vengono intercalati e immagazzinati. Tuttavia, se la ricarica avviene troppo rapidamente, alcuni ioni di litio non riescono a penetrare nella grafite in tempo e si accumulano invece sotto forma di litio metallico sulla superficie: un fenomeno chiamato “placcatura di litio”. È simile alle auto che si accalcano all’ingresso di un parcheggio quando ne arrivano troppe contemporaneamente e non riescono a entrare abbastanza velocemente. Se questa situazione persiste, può compromettere sia le prestazioni che la durata della batteria.
Durante la ricarica, sulla superficie della grafite si forma anche una sottile pellicola protettiva chiamata strato di interfaccia elettrolitica solida (SEI). Uno strato SEI correttamente formato è necessario, ma se diventa troppo spesso o irregolare, può compromettere le prestazioni della batteria. Inoltre, quando il litio penetra nelle particelle di grafite durante la ricarica, queste si espandono e spingono contro il materiale circostante, creando una sollecitazione meccanica all’interno dell’elettrodo.
Questi processi avvengono simultaneamente su scala microscopica, rendendo difficile distinguere sperimentalmente i loro effetti individuali. Anche i modelli computazionali esistenti si sono basati principalmente sulle proprietà medie dell’elettrodo, rendendo difficile cogliere la complessa struttura interna e il comportamento dipendente dalla posizione all’interno dell’elettrodo.
Per risolvere questo problema, il team di ricerca ha realizzato un “gemello digitale 3D” dell’elettrodo della batteria basato sulla struttura di un vero anodo in grafite disponibile in commercio. Il team ha ricostruito le particelle di grafite, il legante che le tiene unite e i pori riempiti di elettrolita attraverso i quali viaggiano gli ioni di litio, il tutto in tre dimensioni.
Utilizzando questo elettrodo virtuale, i ricercatori hanno variato lo spessore dell’elettrodo, la porosità e la distribuzione del legante, quindi hanno simulato una ricarica rapida per analizzare il movimento degli ioni di litio. Hanno inoltre esaminato dove si verificava la placcatura di litio, come si formava il film protettivo e in quali parti dell’anodo si concentravano le sollecitazioni.
I risultati hanno mostrato che, anche quando le capacità di carica complessive erano simili, il comportamento di degrado interno degli anodi poteva differire in modo significativo a seconda di come il legante e lo spazio poroso erano disposti all’interno dell’elettrodo.
Negli anodi da 50 micrometri (μm), la differenza nelle capacità di carica dovuta alla distribuzione del legante era compresa entro il 4%, il che significa che non vi era alcuna differenza apparente nelle prestazioni di ricarica. All’interno dell’elettrodo, tuttavia, le posizioni in cui il litio veniva intercalato e quelle in cui si verificavano reazioni che ne compromettevano le prestazioni differivano chiaramente.
In particolare, quando il legante era concentrato in prossimità del separatore, lo spazio poroso disponibile per il trasporto degli ioni di litio diminuiva, rendendo più difficile il movimento degli ioni di litio attraverso l’anodo. È molto simile a come una strada più stretta causi congestione del traffico. In questo caso, la placcatura di litio in prossimità del collettore di corrente è aumentata di oltre il 10% rispetto all’anodo con un legante distribuito uniformemente.
Al contrario, quando il legante era distribuito in modo relativamente uniforme in tutto l’elettrodo, il trasporto degli ioni di litio diventava più uniforme e anche il film protettivo si formava in modo più omogeneo.
Questa differenza si accentuava man mano che l’elettrodo diventava più spesso. Negli anodi di 83 μm di spessore, la differenza di capacità di carica tra le due distribuzioni del legante si è ampliata fino a circa il 18%. Ciò suggerisce che la realizzazione di elettrodi più spessi per immagazzinare più energia richiede una progettazione accurata non solo della quantità di materiale utilizzato, ma anche della sua esatta disposizione all’interno.
Anche la posizione dello spazio poroso influiva sulla sollecitazione subita dall’elettrodo. Laddove lo spazio poroso era sufficiente, l’area circostante poteva accogliere le particelle di grafite mentre si espandevano durante la carica. Laddove lo spazio poroso era insufficiente, le particelle di grafite non avevano spazio per espandersi, concentrando la sollecitazione in aree specifiche.
Attraverso questo studio, il team di ricerca ha proposto una nuova direzione progettuale per le batterie agli ioni di litio a ricarica rapida: anziché limitarsi a considerare la quantità di legante e di spazio poroso contenuta in un elettrodo, i ricercatori dovrebbero anche valutare dove e come questi sono distribuiti.
L’uso di un gemello digitale 3D consente di esaminare potenziali problemi all’interno di una batteria in uno spazio virtuale prima di costruire e testare manualmente diversi modelli di elettrodi. Si prevede che questo approccio aiuti a identificare la struttura ottimale dell’elettrodo, contribuendo allo sviluppo di batterie in grado di caricarsi più rapidamente pur mantenendo una maggiore durata.
«Questa ricerca è significativa in quanto ha utilizzato un gemello digitale 3D per individuare problemi interni alla batteria che erano difficili da rilevare solo dalle prestazioni complessive di ricarica», ha affermato il professor Lee. Ha aggiunto che una corretta disposizione del legante e dello spazio poroso all’interno dell’elettrodo potrebbe aiutare a progettare batterie in grado di immagazzinare più energia, ricaricarsi più velocemente e durare più a lungo.
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
Altre notizie dal dipartimento scienza
Le notizie più lette
Altre notizie dagli altri portali
Vedere i mondi tematici per i contenuti correlati
Il mundo della tecnologia delle batterie
Il mundo della tecnologia delle batterie riunisce in modo unico tutte le conoscenze rilevanti. Qui troverete tutto ciò che riguarda i fornitori e i loro prodotti, webinar, white paper, cataloghi e brochure.
Il mundo della tecnologia delle batterie
Il mundo della tecnologia delle batterie riunisce in modo unico tutte le conoscenze rilevanti. Qui troverete tutto ciò che riguarda i fornitori e i loro prodotti, webinar, white paper, cataloghi e brochure.