Gli scienziati hanno sviluppato una batteria agli ioni di litio che si carica a una temperatura elevata per aumentare la velocità di reazione ma mantiene la cella fresca durante la scarica, che mostra il potenziale per aggiungere 200 miglia di autonomia a un'auto elettrica in 10 minuti. Se ridimensionato, il design è una potenziale strategia per alleviare i timori che i veicoli completamente elettrici non abbiano un'autonomia di crociera sufficiente per raggiungere in sicurezza una destinazione senza fermarsi a metà del viaggio. I ricercatori della Pennsylvania State University presentano il lavoro il 30 ottobre sulla rivista Joule .

Gli scienziati hanno riconosciuto la necessità di progettare batterie per veicoli elettrici in grado di caricarsi estremamente velocemente per soddisfare le esigenze dei conducenti. Però, una tale velocità di ricarica richiederebbe a una batteria di assorbire rapidamente 400 kilowatt di energia, un'impresa che i veicoli attuali non possono realizzare perché rischia la placcatura al litio (la formazione di litio metallico attorno all'anodo), che danneggerebbe gravemente la durata della batteria.

Mentre le batterie al litio convenzionali vengono caricate e scaricate alla stessa temperatura, i ricercatori hanno scoperto di poter aggirare il problema della placcatura al litio caricando la batteria a una temperatura elevata di 60 gradi Celsius per alcuni minuti, quindi scaricarlo a temperature più fresche.

"Oltre alla ricarica rapida, questo design ci consente di limitare il tempo di esposizione della batteria alla temperatura di carica elevata, generando così un ciclo di vita molto lungo, ", afferma l'autore senior Chao-Yang Wang, un ingegnere meccanico presso la Pennsylvania State University. "La chiave è realizzare un riscaldamento rapido; altrimenti, la batteria rimarrà a temperature elevate per troppo tempo, causando un grave degrado».

Per ridurre il tempo di riscaldamento e riscaldare l'intera batteria a una temperatura uniforme, Wang e colleghi hanno equipaggiato una batteria agli ioni di litio con una struttura in nichel autoriscaldante che si preriscalda in meno di trenta secondi. Per testare il loro modello, hanno caricato tre celle a sacchetto di grafite progettate per veicoli elettrici ibridi a 40 anni, 49, e 60 gradi Celsius, così come un controllo a 20 gradi Celsius, utilizzando varie strategie di raffreddamento per mantenere temperature di carica costanti. Per confermare che la placcatura al litio non si è verificata, in seguito hanno scaricato completamente le cellule e le hanno aperte per l'analisi.

Wang e il team hanno scoperto che le batterie preriscaldate a 60 gradi Celsius potrebbero sostenere il processo di ricarica estremamente veloce per 1, 700 cicli, mentre la cella di controllo poteva tenere il passo solo per 60 cicli. A una temperatura di carica media compresa tra 49 e 60 gradi Celsius, la ricerca non ha osservato alcuna placcatura al litio. I ricercatori hanno anche osservato che un aumento della temperatura di carica riduceva notevolmente il raffreddamento necessario per mantenere la cella alla sua temperatura iniziale:la cella di controllo generava 3,05 wattora, mentre la cella a 60 gradi Celsius ha generato solo 1,7 wattora.

"Nel passato, si riteneva universalmente che le batterie agli ioni di litio dovessero evitare di funzionare ad alte temperature a causa della preoccupazione di reazioni collaterali accelerate, ", afferma Wang. "Questo studio suggerisce che i benefici della placcatura al litio mitigata a temperatura elevata con un tempo di esposizione limitato superano di gran lunga l'impatto negativo associato alle reazioni collaterali esacerbate".

I ricercatori fanno notare che la tecnologia è completamente scalabile perché tutte le celle sono basate su elettrodi disponibili industrialmente; e ne hanno già dimostrato l'utilizzo in celle su larga scala, moduli, e pacchi batteria. La lamina di nichel aumenta il costo di ogni cella dello 0,47%, ma poiché il design elimina la necessità dei riscaldatori esterni utilizzati nei modelli attuali, riduce effettivamente il costo di produzione di ogni confezione.

Prossimo, Il team di Wang sta pianificando di fare un ulteriore passo avanti nel proprio design.

"Stiamo lavorando per caricare la batteria di un veicolo elettrico ad alta densità di energia in cinque minuti senza danneggiarla, " dice. "Ciò richiederà elettroliti altamente stabili e materiali attivi oltre alla struttura autoriscaldante che abbiamo inventato".