I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno segnalato un nuovo meccanismo per accelerare la ricarica delle batterie agli ioni di litio per i veicoli elettrici. Esponendo semplicemente il catodo a un raggio di luce concentrata, ad esempio, la luce bianca di una lampada allo xeno riduce il tempo di ricarica della batteria di un notevole fattore di due o più. Se commercializzato, tale tecnologia potrebbe essere un punto di svolta per i veicoli elettrici.

I proprietari di veicoli elettrici sono ben consapevoli dell'"ansia da autonomia" poiché il livello di carica è basso o la posizione della stazione di ricarica più vicina sembra troppo lontana. La ricarica rapida rimane una sfida fondamentale se tali veicoli vogliono conquistare un ampio segmento del mercato dei trasporti. La ricarica di un'auto elettrica a vuoto richiede in genere circa otto ore.

Esistono ora speciali stazioni di sovralimentazione che consentono di ricaricare i veicoli elettrici in modo ultrarapido fornendo una corrente molto più elevata alla batteria. Passare troppa corrente per un tempo troppo breve, però, degrada le prestazioni della batteria.

Tipicamente, Le batterie agli ioni di litio per veicoli vengono caricate lentamente per ottenere una reazione elettrochimica completa. Questa reazione comporta la rimozione del litio dal catodo di ossido e il suo inserimento nell'anodo di grafite.

"Volevamo ridurre notevolmente questa reazione di carica senza danneggiare gli elettrodi dal conseguente flusso di corrente più elevato, " ha detto Christopher Johnson, Argonne Distinguished Fellow e leader del gruppo nella divisione Scienze chimiche e ingegneria.

Le batterie agli ioni di litio di oggi funzionano in uno stato buio, con gli elettrodi alloggiati in una custodia. La tecnologia fotoassistita di Argonne utilizzerebbe un contenitore trasparente che consente alla luce concentrata di illuminare gli elettrodi della batteria durante la ricarica.

Per sondare il processo di addebito, il team di ricerca ha realizzato piccole celle agli ioni di litio ("celle a moneta") con finestre di quarzo trasparenti. Hanno quindi testato queste cellule con e senza luce bianca che brillava attraverso la finestra sul catodo.

"Abbiamo ipotizzato che, durante la ricarica, la luce bianca interagirebbe favorevolmente con il tipico materiale del catodo, e questo si è rivelato il caso nei nostri test sulle cellule, " disse Johnson. Quel materiale del catodo è un ossido di litio manganese, abbreviato come LiMn ₂ oh ₄ (LMO).

L'ingrediente chiave di questa reazione favorevole è l'interazione della luce con LMO, un materiale semiconduttore noto per interagire con la luce. Mentre assorbe i fotoni nella luce durante la carica, l'elemento manganese nell'LMO cambia il suo stato di carica da trivalente a tetravalente (Mn ³⁺ a Mn ⁴⁺ ). In risposta, gli ioni di litio vengono espulsi dal catodo più velocemente di quanto accadrebbe senza il processo di eccitazione dei fotoni.

Questa condizione accelera la reazione della batteria. Il team ha scoperto che la reazione più rapida ha portato a una ricarica più rapida senza degradare le prestazioni della batteria o la durata del ciclo. "I nostri test sulle celle hanno mostrato un fattore due di diminuzione del tempo di ricarica con la luce accesa, " ha detto Johnson.

Il team di ricerca ha svolto questo lavoro nell'ambito del Center for Electrochemical Energy Science (CEES), un DOE Energy Frontier Research Center (EFRC) guidato da Argonne.

"Questa ricerca è un ottimo esempio di come l'obiettivo del CEES di comprendere i processi degli elettrodi nelle batterie agli ioni di litio stia consentendo progressi fondamentali che stanno influenzando la tecnologia, "ha detto Paul Fenter, Direttore del CEES e fisico senior della divisione di Scienze e Ingegneria Chimiche. "Questo è emblematico degli impatti di trasformazione che il programma EFRC può ottenere".

Johnson ha aggiunto che, "Questa scoperta è la prima del suo genere in cui le tecnologie di luce e batteria si fondono, e questa intersezione è di buon auspicio per il futuro dei concetti di ricarica innovativi per le batterie."

Il Vehicle Technologies Office dell'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy del DOE ha identificato la ricarica rapida come una sfida fondamentale per garantire l'adozione di massa di veicoli elettrici con un obiettivo di 15 minuti. tempo di ricarica, e questa ricerca potrebbe essere una chiave per renderlo possibile.

Questa ricerca è apparsa in Comunicazioni sulla natura , intitolato "Ricarica rapida foto-accelerata di batterie agli ioni di litio".