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Portuguese Le 3 principali innovazioni nelle batterie al litio a bassa temperatura
Sommario
Introduzione alle esigenze delle batterie al litio a bassa temperatura
Con il rapido progresso tecnologico, la domanda di batterie al litio a bassa e bassissima temperatura sta diventando sempre più critica in ambienti ostili come gli altipiani ad alta quota, gli oceani profondi, le regioni polari e le aree estremamente fredde come lo spazio. Le batterie al litio tradizionali sono inadeguate per l'accumulo e il rilascio di energia in queste condizioni di temperatura estreme.
La graduale eliminazione dei sussidi per i veicoli a energia rinnovabile e l'accelerazione della costruzione di stazioni base 5G da parte dei principali operatori di telecomunicazioni hanno aumentato significativamente la domanda di batterie agli ioni di litio a bassa temperatura ed economiche. Nel 2021, le installazioni di batterie per l'energia elettrica a livello nazionale hanno raggiunto i 159,6 GWh. Tuttavia, nelle regioni settentrionali con condizioni invernali estreme, l'autonomia dei veicoli a energia rinnovabile è gravemente compromessa. Pertanto, lo sviluppo batterie al litio a bassa temperatura L'idoneità agli ambienti freddi è fondamentale. Per le stazioni base 5G, le batterie al litio ferro fosfato a bassa temperatura hanno ottenuto il riconoscimento del settore per il loro decisivo vantaggio competitivo, con l'inevitabile passaggio dalle batterie al piombo-acido alle batterie al litio ferro fosfato per l'alimentazione di backup delle torri di trasmissione dei segnali.
La temperatura influenza i processi di trasferimento di massa e di trasferimento di carica nelle batterie agli ioni di litio durante la carica e la scarica. A basse temperature, il rallentamento della cinetica degli ioni di litio è il fattore più critico che influenza le loro prestazioni elettrochimiche. La conduttività ionica dell'elettrolita diminuisce, rendendo più difficoltosa la solvatazione/desolvatazione degli ioni di litio, riducendo significativamente la velocità di migrazione degli ioni di litio all'interno del materiale attivo dell'elettrodo e all'interfaccia solido-liquido. Questi fattori portano a un grave degrado delle prestazioni della batteria. Inoltre, la superficie dell'anodo è soggetta a placcatura in litio e crescita di dendriti, causando guasti alla batteria e rischi per la sicurezza. Per affrontare questi problemi, i ricercatori hanno migliorato le prestazioni delle batterie al litio a bassa temperatura modificando i materiali del catodo e dell'anodo, regolando i componenti dell'elettrolita e le strutture dei solventi e progettando efficaci sistemi di gestione termica della batteria (BTMS), rendendoli adatti ad ambienti a basse temperature difficili.
Stato attuale della ricerca sulle batterie al litio a bassa temperatura
1.1 Modifica dei materiali catodici
A basse temperature, le principali cause della ridotta capacità dei materiali catodici includono una minore conduttività elettronica, ridotte velocità di migrazione degli ioni di litio e cinetiche di intercalazione/deintercalazione degli ioni di litio più lente rispetto alla temperatura ambiente. Il miglioramento delle prestazioni degli ioni di litio a basse temperature può essere ottenuto in modo significativo modificando i materiali catodici attraverso strategie come il drogaggio ionico in massa o in superficie per migliorare la velocità di migrazione degli ioni di litio o la conduttività elettronica, impiegando nanomateriali al carbonio per formare strutture conduttive multidimensionali, modificando con conduttori ionici per aumentare sia la conduttività elettronica che quella ionica e ottimizzando la struttura cristallina per ridurre la distanza di diffusione interna degli ioni di litio e quindi migliorare la cinetica di intercalazione e deintercalazione degli ioni di litio.
1.2 Modifica dei materiali anodici
A basse temperature, i materiali anodici subiscono una riduzione della velocità di migrazione degli ioni di litio, rendendo più difficile la desolvatazione degli ioni di litio, aumentando l'impedenza di trasferimento elettrochimico e diminuendo la capacità di intercalazione degli ioni di litio, con conseguente polarizzazione dell'elettrodo. Il litio non intercalato è soggetto a placcatura sull'anodo, aggravando ulteriormente la crescita dei dendriti di litio, l'ispessimento del film SEI e l'essiccazione dell'elettrolita, causando infine una riduzione della capacità e delle prestazioni cicliche della batteria agli ioni di litio. La grafite viene utilizzata principalmente come materiale anodico, ma vengono impiegati anche materiali con elevato plateau di carica e tensione di taglio come Li4Ti5O12 e carbonio duro per evitare la placcatura del litio a basse temperature. I ricercatori migliorano principalmente le prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio mediante drogaggio, preparazione di elettrodi nanocompositi (inclusa l'aggiunta di materiali nanocarbonetici, nanomateriali con rivestimento in carbonio e altri elettrodi nanocompositi), modificando gli elettrodi di grafite e sviluppando nuovi materiali anodici.
1.3 Composizione dell'elettrolita e regolazione della struttura del solvente
L'elettrolita influisce sulla mobilità degli ioni di litio e partecipa alla formazione del film di interfaccia elettrolitica solida (SEI), fondamentale per le prestazioni elettrochimiche di una batteria a basse temperature. La viscosità e il grado di solvatazione influenzano significativamente la mobilità degli ioni di litio. Gli elettroliti nelle batterie al litio a bassa temperatura dovrebbero possedere un'elevata conduttività ionica e una bassa viscosità, pur mantenendo la necessaria stabilità alle basse temperature. I carbonati ciclici come il carbonato di etilene (EC) sono vantaggiosi per la formazione di uno strato SEI stabile, ma presentano viscosità e punti di fusione più elevati. L'aggiunta di carbonati lineari, esteri o eteri con viscosità e punti di fusione inferiori attraverso una strategia di cosolvente aiuta a mantenere l'elettrolita allo stato liquido a basse temperature. Tuttavia, è fondamentale bilanciare il punto di infiammabilità ridotto degli elettroliti dopo l'aggiunta di carbonati lineari a bassa viscosità per garantire la stabilità termica. Nonostante la minore conduttività ionica e la maggiore viscosità, gli elettroliti ad alta concentrazione sono preferiti, perché hanno una minore impedenza di trasferimento di carica, migliori prestazioni di velocità e maggiori capacità a bassa temperatura.
2. Ricerca e sviluppo di nuovi sistemi di batterie al litio a bassa temperatura
Sebbene siano stati compiuti alcuni progressi nelle prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio, la ricerca innovativa su nuovi sistemi di batterie al litio a bassa temperatura è stata relativamente scarsa. I conduttori superionici, noti per la loro eccellente conduttività ionica, possono migliorare efficacemente la velocità di migrazione degli ioni di litio, offrendo nuove prospettive per migliorare le prestazioni a bassa temperatura delle batterie al litio.
Nel 2011, il gruppo di ricerca Kamaya in Giappone ha sviluppato un nuovo tipo di materiale conduttore superionico a base di solfuro inorganico, Li10GeP2S12, che vanta un'elevatissima conduttività. Presenta una tensione di decomposizione superiore a 5 V e una conduttività agli ioni di litio di 12 mS/cm a temperatura ambiente (27 °C), che eguaglia e persino supera i tradizionali elettroliti liquidi organici. Sorprendentemente, anche a -40 °C, la sua conduttività ionica può raggiungere 0,41 mS/cm, dimostrando la migliore conduttività tra i vari conduttori superionici, in particolare in condizioni di bassa temperatura, dove le sue prestazioni superano di gran lunga quelle degli elettroliti organici.
