Un team della Purdue University ha pubblicato una ricerca che esamina la relazione tra gli elementi attivi e inattivi delle batterie agli ioni di litio, e come la micro e nanostruttura dei rispettivi ingredienti si riflette sulle prestazioni e sulla sicurezza delle batterie.

Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla copertina della rivista Materiali e interfacce applicati ACS .

"Le batterie ricaricabili sono ovunque, " disse Partha Mukherjee, professore associato di ingegneria meccanica, e principale investigatore della ricerca. "Probabilmente portiamo sempre con noi due o tre dispositivi elettronici portatili. Ma le interazioni tra i diversi elementi della batteria stessa non sono ancora chiaramente comprese. La mia ricerca spera di colmare questa lacuna".

Nel laboratorio di Mukherjee, il Laboratorio di Scienze dell'Energia e dei Trasporti (ETSL), ricercatori studiano tutte le forme di trasporto e stoccaggio dell'energia, comprese batterie e celle a combustibile. Usano la modellazione al computer per proporre nuove configurazioni degli elementi costitutivi coinvolti e quindi testare diversi fenomeni in laboratorio.

"È come cuocere una torta, " disse Aashutosh Mistry, un dottorato di ricerca candidato in ingegneria meccanica. "Quanto impasto dovresti usare? Quanta ciliegia dovresti mettere in modo che abbia un buon sapore? Allo stesso modo, osserviamo le proporzioni fondamentali, o la ricetta, di questi elettrodi della batteria. Qualsiasi cosa cambi su microscala finisce per influenzare le prestazioni complessive."

"Prendiamo i veicoli elettrici, Per esempio, ", ha detto Mukherjee.  "Le persone sono interessate a tre cose. Prestazioni:quanto veloce posso guidare la mia auto? Life:quanto tempo posso guidare la mia auto prima di ricaricarla? E infine, problemi di sicurezza. Abbiamo visto queste batterie guastarsi pubblicamente, in modo spettacolare, esplodendo negli smartphone e nelle auto elettriche. Così, tutti e tre questi aspetti - prestazioni, vita, e sicurezza - sono molto importanti. Può essere un difficile equilibrio ottenere tutto nel modo giusto".

a volte il loro laboratorio lavora per ricreare di proposito gli spettacolari fallimenti. In una tipica auto elettrica, le batterie non sono un'unità enorme, ma migliaia di singole celle collegate insieme. Se uno fallisce, cosa succede agli altri nelle vicinanze? Per una prova, un modulo campione di 24 celle (della dimensione di un mattone) è stato volutamente sovraccaricato. Una cella è esplosa, che ha portato a una reazione a catena in cui tutte le cellule hanno preso fuoco.

"La temperatura e la pressione all'interno di una cella sono diventate così alte, ha sciolto l'involucro di metallo, che ha preso fuoco, " ha detto il dottorando Daniel Robles, mentre teneva in mano un sacchetto di plastica dei resti carbonizzati. "In un'auto elettrica, ci sono diverse migliaia di queste cellule, e questi si trovano sotto il tuo sedile! Ecco perché è importante comprendere i fondamenti di questi fenomeni, così possiamo evitare che accada".

Le batterie ricaricabili in genere contengono un elettrodo positivo e un elettrodo negativo, costituito da "materiale attivo" per immagazzinare litio. Tra i due elettrodi c'è un separatore, e c'è elettrolita liquido dappertutto, per trasportare ioni di litio. Finalmente, una combinazione di materiali elettrochimicamente inattivi, come additivi e leganti conduttivi (chiamati "fase secondaria") aiuta a modellare gli ingredienti fisici negli elettrodi porosi compositi e migliora la conduttività elettrica. Nella ricerca pubblicata, Mukherjee e il suo team esaminano la relazione tra il materiale attivo e la fase secondaria su micro e nanoscala:la porosità, le forme fisiche, e le loro interazioni reciproche. L'alterazione di una qualsiasi di queste caratteristiche determina cambiamenti significativi nelle prestazioni complessive della batteria.

"Siamo ancora in una fase nascente nella comprensione di queste complesse interazioni, " ha detto Mukherjee.  "Ma questa è la chiave della nostra ricerca. Colleghiamo ciò che sta accadendo su micro e nanoscala alle prestazioni della batteria, vita, e sicurezza».

E man mano che le batterie ricaricabili diventano più diffuse, la loro ricerca diventa ancora più vitale. "Le batterie vengono utilizzate ovunque, dall'elettronica portatile ai veicoli, e anche nelle grandi reti elettriche. Questo è un momento fantastico ed entusiasmante per fare ricerca sull'accumulo di energia".