I nuovi anodi aiutano il litio

Questo articolo fa parte della nostra esclusiva serie IEEE Journal Watch in collaborazione con IEEE Xplore.

I ricercatori hanno creato un nuovo design della batteria agli ioni di litio che consente un migliore flusso di elettroni attraverso l'anodo, migliorando notevolmente la capacità della batteria e dimezzando il tempo necessario per caricarsi. Il progresso è descritto in uno studio pubblicato il 14 aprile sull'IEEE Journal on Hydraulic Electronics.

I veicoli elettrici rappresentano un modo fondamentale per ridurre potenzialmente le emissioni di gas serra. Ma le batterie agli ioni di litio di queste auto impiegano ancora un po’ di tempo per caricarsi, il che potrebbe dissuadere alcune persone dall’adottare questa tecnologia.

"C'è un enorme bisogno di innovazione delle batterie in grado di offrire capacità di ricarica rapida con una maggiore durata [della batteria]", afferma Himanaga Emani, Ph.D. assistente di ricerca presso il dipartimento di ingegneria elettrica e informatica della Western Michigan University e coinvolto nello studio.

Attualmente, le batterie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici hanno anodi in grafite, ma i ricercatori hanno esplorato l’uso di altri materiali, come il grafene. Il grafene è costituito da sottili strati di carbonio, che superano le prestazioni della grafite come conduttore di elettricità. Tuttavia, il semplice utilizzo di materiali diversi potrebbe non essere sufficiente per fornire alle batterie la spinta di ricarica necessaria.

I ricercatori hanno scoperto che la perforazione delle reti di pori secondari (SPN) su scala micrometrica [a sinistra] nell'anodo della batteria ha migliorato la velocità di carica complessiva della batteria e il mantenimento della capacità. West Michigan University/IEEE

Pertanto, Emani e il suo team hanno utilizzato la strutturazione laser per creare una rete di pori lungo il loro nuovo anodo di grafene. Questi minuscoli fori consentono agli elettroni di fluire più facilmente attraverso l'anodo, determinando un tempo di ricarica più rapido. Mentre le attuali batterie commerciali agli ioni di litio con anodi di grafite hanno una capacità teorica di 372 milliampere-ora per grammo, il nuovo anodo di grafene proposto dai ricercatori con i suoi pori può fornire una capacità di oltre 700 mAh/g.

I ricercatori hanno testato il loro nuovo anodo in una serie di esperimenti con tempi di ricarica compresi tra 10 minuti e 2 ore a temperatura ambiente. I risultati mostrano che, per periodi di ricarica superiori a un’ora, i nuovi anodi con pori non hanno avuto alcun effetto significativo sulla capacità della batteria rispetto a quella degli anodi convenzionali. Ma quando i tempi di ricarica erano inferiori a un’ora, l’anodo di grafene con pori era due volte più veloce degli anodi convenzionali.

"In termini semplici, in base ai nostri risultati, una batteria commerciale che potrebbe richiedere un'ora per caricarsi potrebbe essere caricata in meno di 30 minuti", afferma Emani.

È importante sottolineare che le nuove batterie mantengono la loro capacità dopo un uso ripetuto. In genere, le batterie perdono la loro capacità durante più cicli di ricarica. In questo studio, le cellule con le spore hanno mostrato una ritenzione di capacità superiore, vicina al 90%, rispetto alle cellule senza pori, pari ad appena il 38%, dopo 200 cicli di ricarica.

Questo studio ha analizzato i nuovi anodi sotto forma di celle a bottone a temperatura ambiente, osserva Emani. "Prima di entrare nel mercato, vorremmo testare queste batterie in celle a sacchetto, cilindriche e prismatiche, poiché questi sono i tipi base di configurazioni di batterie [usate] più utilizzate nei veicoli elettrici."

Il team è anche interessato a studiare questi anodi porosi a diverse temperature. "Si tratta di un parametro chiave, poiché le batterie utilizzate nei veicoli elettrici sono esposte a un'ampia gamma di temperature a seconda della posizione geografica, del tempo e delle stagioni, per migliorare ulteriormente le prestazioni delle batterie in condizioni difficili", afferma.