Più invecchiano, accumulando e rilasciando energia per tanti anni, più le batterie si deteriorano. È una cosa risaputa, ma studiare cosa succede all’interno degli accumulatori può aiutare a ridurre i problemi dovuti all’età. Proprio quello che stanno facendo il ricercatore Toby Bond e il suo team nel centro Canadian Light Source, all’università di Saskatchewan.
Con l’obiettivo di sviluppare batterie per auto elettriche con una durata maggiore, gli scienziati hanno usato la scansione 3D ai raggi X per capire come i cicli di carica e scarica causino danni fisici agli accumulatori, riducendone la capacità. Il lavoro indica anche un legame tra le crepe che si formano nel materiale per batterie e l’esaurimento dei liquidi che “trasportano” la carica.
Questione di chimica
“Un grosso svantaggio nell’accumulare più energia è che, di solito, più energia si immagazzina, più velocemente si degraderà la batteria”, spiega Bond. Questo perché la carica spinge fisicamente gli ioni di litio tra altri atomi nel materiale dell’elettrodo, allontanandoli.
Aggiungere nuova carica provoca infatti una deformazione dei materiali, che si restringono nuovamente quando gli ioni di litio se ne vanno. Nel corso di molti cicli di continua crescita e restringimento, nel materiale iniziano a formarsi delle microfessure, che riducono lentamente la capacità di trattenere la carica.
Svolta raggi X
Questi problemi sono noti da tempo, ma fino ad oggi sono stati sempre studiati su batterie ormai logore, che venivano smontate e osservate al microscopio. Un’operazione che, di fatto, distrugge l’intero accumulatore, impedendo agli studiosi di conservare la struttura per verificarne l'evoluzione durante l'uso.
Ma Bond ha pensato a una soluzione diversa: utilizzare la scansione 3D ai raggi X per vedere cosa succede alla batteria senza smontarla. Confrontando accumulatori sottoposti a diversi cicli con accumulatori identici ma non utilizzati, gli esperti hanno scoperto che i liquidi delle celle vengono risucchiati tra le crepe, riducendone la quantità “in giro” per l’accumulatore.
“È la prima volta che qualcuno riesce a controllare insieme tutti questi effetti in una batteria ancora funzionante. L’esaurimento dell’elettrolita liquido può causare problemi seri, perché qualsiasi parte della batteria che non riceve abbastanza liquido può smettere di funzionare”.
I vantaggi
Capire cosa succede all’interno degli accumulatori e come si comportano i vari materiali può avere una serie di effetti pratici da non sottovalutare. Per esempio, il team ha scoperto che scaricare una piccola quantità della batteria causa un deterioramento inferiore rispetto allo scaricamento completo.
Probabilmente perché una variazione minore di carica provoca nel tempo una minore sollecitazione fisica sui materiali degli elettrodi della batteria. Questo è importante per applicazioni come il trasporto a lungo raggio. Pensiamo agli aerei elettrici, che richiedono batterie con grandissime capacità.
“Per sostituire i veicoli a combustione con quelli elettrici, è importante sapere come si comporteranno le batterie in condizioni diverse”, chiude Bond. “È molto eccitante lavorare su questi problemi. Abbiamo veramente bisogno di strumenti come i sincrotroni per comprendere ogni minimo dettaglio di ciò che succede dentro quando tentiamo un nuovo approccio”.
Batterie e gigafactory
Fonte: Canadian Light Source