Le batterie sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni quotidiane come l'alimentazione di veicoli elettrici, gadget elettronici e sono candidati promettenti per lo stoccaggio di energia sostenibile. Però, come probabilmente avrai notato con la ricarica giornaliera delle batterie, la loro funzionalità diminuisce nel tempo. Infine, dobbiamo sostituire queste batterie, che non solo è costoso, ma esaurisce anche gli elementi delle terre rare utilizzati per produrli.

Un fattore chiave nella riduzione della durata della batteria è il degrado dell'integrità strutturale della batteria. Per scoraggiare il degrado strutturale, un team di ricercatori della USC Viterbi School of Engineering spera di introdurre l'"allungamento" nei materiali delle batterie in modo che possano essere pedalati ripetutamente senza affaticamento strutturale. Questa ricerca è stata condotta da Ananya Renuka-Balakrishna, WiSE Gabilan Assistant Professor di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica, e dottorando USC Viterbi, Delin Zhang, così come i ricercatori della Brown University del gruppo del professor Brian Sheldon. Il loro lavoro è stato pubblicato nel Journal of Mechanics and Physics of Solids .

Una tipica batteria funziona attraverso un ciclo ripetitivo di inserimento ed estrazione di ioni di litio dagli elettrodi, ha detto Zhang. Questo inserimento ed estrazione espande e comprime i reticoli degli elettrodi. Questi cambiamenti di volume creano microcricche, fratture e difetti nel tempo.

"Queste microfessure e fratture nel materiale della batteria porteranno al degrado strutturale, che alla fine ridurrà la capacità della batteria, " Zhang ha detto. "In definitiva, la batteria dovrà essere sostituita con una nuova."

Per scoraggiare questo, Zhang, chi studia i materiali di intercalazione, una classe di materiali utilizzati come elettrodi nelle batterie agli ioni di litio, allunga questi elettrodi di intercalazione in anticipo. Questo cambiamento nello stato di stress iniziale regola le tensioni di trasformazione di fase rendendo così gli elettrodi più resistenti alla frattura o all'amorfizzazione (perdendo le sue proprietà cristalline).

Tensione più ampia, maggiore capacità

trasformazioni di fase, quando i materiali della batteria cambiano forma fisica, risultato del ciclo di espansione e compressione che accompagna la ricarica e l'uso quotidiano. Ha detto Zhang:"Queste trasformazioni di fase possono rendere gli elettrodi più suscettibili al degrado strutturale, soprattutto quando il processo viene ripetuto così frequentemente."

La reversibilità delle fasi è fondamentale per consentire alle batterie di mantenere una funzionalità efficiente nel tempo. Renuka-Balakrishna ha detto:"La reversibilità è maggiormente migliorata assicurandosi che il materiale rimanga nella sua forma cristallina. A determinate tensioni, quando i materiali passano da una fase all'altra, possono diventare polverosi, che non è l'ideale per un funzionamento efficiente della batteria."

I ricercatori si sono quindi chiesti, "C'è un modo per mantenere i materiali della batteria nella loro forma cristallina mentre vanno avanti e indietro tra i paesaggi energetici?" La risposta:cambiare la struttura dei materiali introducendo uno stato di sollecitazione iniziale.

Disse Zhang:"Tendendo gli elettrodi prima di caricarli e scaricarli, stiamo cambiando il panorama energetico attraverso il quale un elettrodo passa dallo stato di carica a quello di scarica. Questa deformazione iniziale ci consente di ridurre la barriera energetica per queste trasformazioni e di prevenire dannose deformazioni del reticolo che portano alla rottura del materiale. Questo cambiamento nel panorama energetico aiuta a prevenire microcricche e fratture, proteggere la sostenibilità della batteria e la capacità di accumulo di energia."

Un ulteriore vantaggio, Renuka-Balakrishna ha detto, è che allungando gli elettrodi, la batteria può funzionare anche in una finestra di tensione più ampia, rendendolo più efficiente nella sua capacità di accumulo di energia.

Sfide del moderno accumulo di energia

Una delle principali preoccupazioni della comunità dello stoccaggio di energia, Renuka-Balakrishna ha detto, si sta allontanando dagli elettroliti liquidi infiammabili tipicamente utilizzati nelle batterie e li inserisce in materiali solidi. "Questo introduce nuove sfide, " lei disse.

oggetti solidi, come sappiamo tutti, può deteriorarsi nel tempo se sottoposto a ripetute sollecitazioni. Una volta introdotta una crepa, i due lati di una superficie perderanno il contatto. Nel caso della batteria, crea un semplice problema di meccanica; senza connessione, è difficile trasportare ioni attraverso il materiale, disse Renuka-Balakrishna.

Approcci come quello identificato da Zhang sono un tentativo di andare avanti verso una sicurezza, batterie più sostenibili affrontando questa sfida meccanica. La novità di questo approccio è invece quella di trovare un nuovo materiale per migliorare la durata della batteria, puoi migliorare la durata di un materiale esistente introducendo concetti meccanici fondamentali per migliorare la loro durata, hanno detto i ricercatori.

"La meccanica non è sempre stata parte integrante dello sviluppo delle batterie, " ha detto Renuka-Balakrishna. "Ma ora gli ingegneri possono giocare con questa teoria/strumento che Zhang ha creato e lavorare per progettare la durata della vita dei materiali delle batterie".

Migliorare la durata delle batterie andrebbe a vantaggio degli utenti di dispositivi elettronici e veicoli elettrici consentendo un uso più lungo dei dispositivi e riducendo al minimo la sostituzione della batteria, ha detto Zhang. Dato il costo di una batteria agli ioni di litio, potrebbe anche far risparmiare agli utenti un sacco di soldi nel tempo.

Più di quello, Zhang ha affermato che lo stoccaggio di energia sostenibile è una parte importante per ridurre le emissioni nocive di gas serra e ridurre i rifiuti delle batterie, e speriamo con il nostro lavoro di aprire un nuovo filone di ricerca per esaltare la reversibilità dei materiali.