Un nuovo rilevatore a radiofrequenza sottilissimo progettato per funzionare all'interno di una batteria agli ioni di litio fornisce informazioni sullo stato di salute della batteria durante la carica e la scarica.

"Potrebbe consentire ai ricercatori di controllare la funzione e la capacità di una batteria dopo anni di conservazione senza distruggerla, " ha detto Eric Sorte, un fisico presso i Sandia National Laboratories.

Il lavoro, finanziato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia aiuterà i ricercatori a comprendere e caratterizzare meglio le batterie per migliorarle per lo stoccaggio rinnovabile e le applicazioni di sicurezza nazionale. I produttori potrebbero anche usarlo un giorno per eseguire test diagnostici, disse Sorte.

Rivelatore di risonanza magnetica spostato all'interno della batteria

Come una batteria agli ioni di litio alimenta un dispositivo elettronico e poi si ricarica, All'interno avvengono cambiamenti chimici e fisici che ne riducono la funzione nel tempo. I prodotti collaterali molecolari si formano quando gli ioni di litio si annidano e lasciano ciascun elettrodo. Queste molecole possono consumare il litio attivo e ridurre la capacità della batteria. Gli elettrodi possono anche subire modifiche chimiche indesiderate, riducendo la loro capacità di rimanere in carica. Punte microscopiche di litio possono crescere dalla superficie di un elettrodo, consumando ioni chiave che trasportano carica e creando condizioni potenzialmente infiammabili.

Mentre i ricercatori lavorano per migliorare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio, modificano i componenti chimici di una batteria e fanno scorrere il sistema attraverso molte cariche e scariche. Quindi aprono la batteria ed esaminano i materiali al microscopio per vedere come sono cambiate la loro struttura e composizione.

I ricercatori potrebbero ottenere queste informazioni molto più velocemente se potessero monitorare le condizioni all'interno di una batteria mentre si carica e si scarica. Un modo in cui attualmente lo fanno è con una tecnica che utilizza gli stessi principi dell'imaging a risonanza magnetica negli ospedali. Questo metodo fornisce indizi sulla struttura e sull'ambiente di una molecola osservando i segnali provenienti da un elemento specifico in quella molecola.

Ecco come funziona:in primo luogo, lo strumento invia un impulso di onde radio su misura per interagire con uno specifico nucleo atomico in elementi come il litio, zolfo o idrogeno. Quando un nucleo torna al suo stato originale, emette un segnale che cambia in modo prevedibile a seconda dell'ambiente circostante.

I ricercatori hanno utilizzato questa tecnica per esaminare i cambiamenti chimici nelle batterie in precedenza, ma hanno dovuto modificare i componenti della batteria in modi che non esistono nelle batterie funzionanti. Questo nuovo rivelatore, creato da Sorte insieme allo scienziato dei materiali Sandia Todd Alam e ad altri colleghi, è progettato per funzionare a batterie in quanto sono realizzate per l'uso quotidiano. È più sottile di un foglio di carta e può essere fatto per adattarsi a una batteria di qualsiasi forma.

I ricercatori l'hanno già fatto scivolare all'interno di una batteria disponibile in commercio. Immaginano un giorno di inserire la striscia del rivelatore all'interno di una batteria durante la produzione, quindi contiene già il componente necessario per un rapido controllo dello stato.

Segnali specifici provenienti da componenti molecolari indicano carica, cambiamenti chimici

Utilizzando questo rilevatore, Sorte e i suoi colleghi possono vedere segnali unici per gli ioni di litio mentre interagiscono con il materiale in ciascun elettrodo. Ciò consente loro di tenere traccia della carica di una batteria durante ripetuti cicli di carica e scarica; la diminuzione della capacità è un segno che una batteria sta morendo.

I ricercatori possono anche vedere segnali unici provenienti da molecole prodotte durante le reazioni collaterali durante il funzionamento di una batteria. Possono monitorare questi prodotti collaterali molecolari e quindi modificare i componenti chimici di una batteria per ridurre le reazioni indesiderate. Questi cambiamenti possono aiutarli a migliorare le batterie per avere le proprietà necessarie per applicazioni come lo stoccaggio di energia rinnovabile su larga scala. I produttori potrebbero anche utilizzare questo dispositivo un giorno per eseguire test diagnostici su batterie, disse Sorte.

Lo stesso approccio e la stessa striscia di rilevamento potrebbero essere utilizzati per esaminare il funzionamento interno delle batterie a flusso di vanadio e anche di altre sostanze chimiche, Ha aggiunto. Sorte sta anche lavorando al monitoraggio della vita interna di una batteria utilizzando gli elettrodi già presenti, in modo che non siano necessari componenti aggiuntivi.