I ricercatori della WMG dell'Università di Warwick hanno sviluppato un nuovo sistema diretto, test precisi delle temperature interne delle batterie agli ioni di litio e dei potenziali degli elettrodi e hanno scoperto che le batterie possono essere caricate in sicurezza fino a cinque volte più velocemente degli attuali limiti di carica raccomandati. La nuova tecnologia funziona in loco durante il normale funzionamento di una batteria senza ostacolarne le prestazioni ed è stata testata su batterie standard disponibili in commercio. Questa nuova tecnologia consentirà progressi nella scienza dei materiali delle batterie, velocità di ricarica della batteria flessibili, ingegneria termica ed elettrica di nuovi materiali/tecnologie per batterie e ha il potenziale per aiutare la progettazione di sistemi di accumulo di energia per applicazioni ad alte prestazioni come le corse automobilistiche e il bilanciamento della rete.

Se una batteria si surriscalda, rischia gravi danni in particolare al suo elettrolita e può persino portare a situazioni pericolose in cui l'elettrolita si rompe per formare gas che sono entrambi infiammabili e causano un significativo accumulo di pressione. Il sovraccarico dell'anodo può portare a così tanta galvanica al litio da formare dendriti metallici e alla fine perforare il separatore causando un cortocircuito interno con il catodo e il successivo guasto catastrofico.

Per evitare ciò, i produttori stabiliscono una velocità o intensità di carica massima per le batterie in base a quelle che ritengono siano la temperatura cruciale e i livelli potenziali da evitare. Tuttavia, fino ad ora il test della temperatura interna (e l'acquisizione di dati sul potenziale di ciascun elettrodo) in una batteria si è dimostrato impossibile o poco pratico senza influire in modo significativo sulle prestazioni delle batterie.

I produttori hanno dovuto fare affidamento su un limitato, strumentazione esterna. Questo metodo ovviamente non è in grado di fornire letture precise, il che ha portato i produttori ad assegnare limiti molto prudenti alla velocità o all'intensità di carica massima per garantire che la batteria non venga danneggiata o che nel peggiore dei casi subisca un guasto catastrofico.

Tuttavia, i ricercatori della WMG dell'Università di Warwick hanno sviluppato una nuova gamma di metodi che consentono di dirigere, monitoraggio estremamente preciso della temperatura interna e dello stato "per elettrodo" delle batterie agli ioni di litio di vari formati e destinazioni. Questi metodi possono essere utilizzati durante il normale funzionamento di una batteria senza impedirne le prestazioni ed è stato testato su batterie di classe automobilistica disponibili in commercio. I dati acquisiti con tali metodi sono molto più precisi del rilevamento esterno e il WMG è stato in grado di accertare che le batterie al litio disponibili in commercio oggi disponibili potrebbero essere caricate almeno cinque volte più velocemente degli attuali tassi di carica massimi raccomandati.

I ricercatori WMG hanno pubblicato la loro ricerca questo mese (febbraio 2018) in Electrochimica Acta in un documento intitolato "Comprensione dei limiti della ricarica rapida utilizzando celle agli ioni di litio ad alta energia 18650 commerciali strumentate".

Dott. Tazdin Amietszajew, il ricercatore WMG che ha condotto questa ricerca, disse, "Questo potrebbe portare enormi benefici ad aree come le corse automobilistiche che trarrebbero ovvi benefici dalla capacità di spingere i limiti delle prestazioni, ma crea anche enormi opportunità per i consumatori e i fornitori di accumulo di energia. La ricarica più rapida, come sempre, va a scapito della durata complessiva della batteria, ma molti consumatori apprezzerebbero la possibilità di caricare rapidamente la batteria di un veicolo quando sono necessari tempi di percorrenza brevi e quindi di passare a periodi di ricarica standard in altri momenti. Avere tale flessibilità nelle strategie di ricarica potrebbe anche/più in là aiutare i consumatori a beneficiare degli incentivi finanziari delle società elettriche che cercano di bilanciare le forniture di rete utilizzando veicoli collegati alla rete.

"Questa tecnologia è pronta per essere applicata ora alle batterie commerciali, ma avremmo bisogno di garantire che i sistemi di gestione delle batterie sui veicoli, e che l'infrastruttura per i veicoli elettrici, sono in grado di adattarsi a tariffe di ricarica variabili che includano questi nuovi profili/limiti più precisi."

La tecnologia che i ricercatori di WMG hanno sviluppato per questo nuovo rilevamento diretto della batteria in situ impiega elettrodi di riferimento in miniatura e reticoli in fibra di Bragg (FBG) infilati attraverso uno strato di protezione dalla deformazione su misura. An outer skin of fluorinated ethylene propylene (FEP) was applied over the fibre, adding chemical protection from the corrosive electrolyte. The result is a device that can have direct contact with all the key parts of the battery and withstand electrical, chemical and mechanical stress inflicted during the batteries operation while still enabling precise temperature and potential readings.

WMG Associate Professor Dr. Rohit Bhagat who was also one researchers on the paper said, "This method gave us a novel instrumentation design for use on commercial 18650 cells that minimises the adverse and previously unavoidable alterations to the cell geometry. The device included an in-situ reference electrode coupled with an optical fibre temperature sensor. We are confident that similar techniques can also be developed for use in pouch cells."

"Our research group in WMG has been working on a number of technological solutions to this problem and this is just the first that we have brought to publication. We hope to publish our work on other innovative approaches to this challenge within the next year."