Preparati per i nuovi progressi nella tecnologia delle batterie nel 2021

Fin da quando Volta scoprì nel 1800 che certi liquidi potevano generare un flusso di energia elettrica come parte di una reazione chimica, nacque l'era delle batterie. Volta non poteva immaginare che avrebbe avuto un'unità di misura intitolata a lui (probabilmente uno degli onori più grandi che uno scienziato possa ricevere), e la sua scoperta sarebbe stata alla base di tutta la tecnologia mobile utilizzata oggi. Facciamo un salto fino ad oggi, e la struttura fondamentale delle batterie corrisponde ancora a quella utilizzata nella cella di Daniell, introdotta per la prima volta nel 1836.

Oggi, il dibattito sulle batterie si è concentrato sul loro uso come abilitatori per altre tecnologie, come il consolidamento delle fonti di energia rinnovabile e i veicoli elettrici. Nonostante i progressi storici e recenti nella tecnologia delle batterie, rimangono ancora molte sfide nel rendere le batterie più ecologiche, economiche e sicure ad alta scarica. Tuttavia, molte aziende stanno lavorando allo sviluppo di nuove piattaforme di materiali per le batterie senza apportare grandi cambiamenti alla chimica delle batterie.

Le sfide odierne delle batterie

Le sfide presenti nelle batterie e nei sistemi di accumulo di energia di oggi si concentrano sulla sicurezza e sull'ecosostenibilità. La chimica delle batterie attualmente migliore per la consegna di energia è quella agli ioni di litio, che presenta anche i maggiori rischi per la sicurezza, ma è ancora paragonabile alla chimica del nichel metallo in termini di capacità. Poiché la chimica al litio offre già alcuni vantaggi in termini di consegna di energia, è stata al centro di ulteriori sviluppi e miglioramenti. Nonostante i suoi vantaggi, le batterie agli ioni di litio presentano dei limiti:

• Durata: Qui, ci riferiamo alla durata utile complessiva della batteria, piuttosto che alla capacità di carica. La durata delle batterie agli ioni di litio è fortemente influenzata dalla profondità di carica/scarica, dal tasso di carica/scarica, dal numero di cicli di carica, dalla temperatura operativa e dalla geometria della cella. 

• Sicurezza nella carica/scarica: Le batterie agli ioni di litio richiedono un circuito di monitoraggio e protezione dell'energia per prevenire il surriscaldamento e la sovraccarica. Allo stesso modo, durante un ciclo di scarica, il circuito di protezione limita il tasso di scarica per impedire che la tensione della cella scenda troppo. 

• Formato vs. capacità: Sebbene gli smartphone siano diventati più sottili, la dimensione della batteria è aumentata per fornire una maggiore capacità. Di conseguenza, più componenti vengono consolidati in SoC e su schede flessibili per fare spazio a batterie più grandi. È desiderabile aumentare la capacità senza aumentare la dimensione fisica della batteria.

• Riciclabilità: L'ondata di nuovi veicoli elettrici previsti per il futuro prossimo solleva serie preoccupazioni riguardo alla fine della vita delle batterie agli ioni di litio. Potrebbero essere necessari materiali e strutture di batterie più recenti per ridurre l'energia necessaria a riciclare una batteria agli ioni di litio.

I pacchi batteria in polimero di litio offrono un fattore di forma flessibile con capacità e caratteristiche di carica/scarica competitive. Materiali più recenti possono garantire maggiore sicurezza con una maggiore erogazione di potenza e capacità.

Le innovazioni nella tecnologia delle batterie iniziano dai materiali

Le più recenti innovazioni nella tecnologia delle batterie si sono concentrate nel passaggio dalla chimica alcalina e dalla chimica del nichel metallo alla chimica del litio. Le prossime innovazioni nella tecnologia delle batterie sono principalmente focalizzate sui materiali che affrontano le sfide sopra elencate, e non necessariamente sui metodi e componenti esterni di gestione della potenza. Se si guarda all'industria delle batterie, ci sono due aree in cui le aziende stanno innovando con nuovi materiali: gli elettrodi e gli elettroliti.

Materiali semi-porosi per Anodo/Catodo

I materiali porosi offrono alcuni vantaggi unici nei materiali degli anodi e dei catodi delle batterie, purché possano fornire bassa resistenza e alta conducibilità termica, quest'ultima affronta una preoccupazione primaria per la sicurezza nelle batterie ad alta potenza/capacità per veicoli elettrici. Un esempio di materiale per anodo è il grafite rivestito con nanonastri di carbonio, che può essere facilmente incorporato negli anodi esistenti per le batterie agli ioni di litio. La natura porosa di questo particolare materiale fornisce una superficie attiva più ampia, che consente un maggiore flusso di carica in entrata/uscita dal terminale dell'anodo e un maggiore stoccaggio di ioni di litio rispetto a un elettrodo di grafite solido.

Batterie completamente allo stato solido

Le batterie allo stato solido suscitano interesse in quanto consentono di sostituire un elettrolita liquido infiammabile con un elettrolita solido non infiammabile. Anche il litio è di interesse qui poiché ciò consentirebbe di preservare la chimica di questi sistemi. All'inizio di quest'anno, Samsung ha annunciato lo sviluppo di una piattaforma di batterie agli ioni di litio completamente allo stato solido. La batteria di Samsung utilizzava un materiale composito argento-carbonio come anodo per sopprimere la crescita dendritica da un anodo metallico. Queste batterie non sono ancora disponibili commercialmente, sebbene l'uso di elettroliti solidi sia noto per essere più sicuro rispetto agli elettroliti liquidi utilizzati nelle batterie commerciali odierne.

Aziende come Toyota, Nissan e VW-backed Quantumscape stanno costruendo le proprie piattaforme di batterie allo stato solido per veicoli elettrici. Una volta commercializzate, queste piattaforme potrebbero essere rivoluzionarie per i veicoli elettrici poiché potrebbero offrire un'autonomia maggiore in un pacchetto più piccolo senza tempi di ricarica più lunghi. Ciò riporta l'attenzione sui progettisti di schede per costruire i migliori sistemi di gestione per supportare piattaforme di batterie per veicoli che siano sicure e abbiano la massima efficienza possibile.

Materiali per separatori

Questo è ancora un ambito di ricerca scientifica poiché le membrane separatorie devono essere altamente durevoli e porose. Il poliolefina viene utilizzato come separatore nelle batterie agli ioni di litio commerciali, e qualsiasi nuovo materiale separatore dovrebbe permettere un alto scambio ionico senza generare eccessivo calore. Deve anche avere un'elevata resistenza meccanica e stabilità chimica. I ricercatori stanno ancora indagando su nuovi materiali separatori per soddisfare queste esigenze senza incorrere in grandi cambiamenti nella chimica della batteria o nelle caratteristiche elettriche.

Alcuni esempi di materiali per membrane separatorie. [Fonte]

Perché concentrarsi sull'uso delle stesse piattaforme di materiali che sono già state commercializzate? La chimica attuale utilizzata nelle batterie leader del settore (chimica alcalina o al litio) è stata approfonditamente studiata e qualificata per la sicurezza, sia dai regolatori governativi che dall'industria delle batterie stessa. Una volta che si cambia la classe di materiali, si cambia anche la chimica, e il processo di valutazione estensivo ricomincia da capo. Pertanto, molti nel settore sono riluttanti a distaccarsi dalle piattaforme di materiali esistenti; l'investimento e i rischi sono semplicemente troppo elevati.

Man mano che ulteriori progressi nella tecnologia delle batterie portano a nuovi prodotti, saremo qui per tenervi informati con le ultime notizie e analisi. Quando cerchi una nuova batteria di lunga durata e ad alta capacità e componenti per la gestione dell'energia per il tuo prossimo sistema, utilizza le funzionalità di ricerca avanzata e filtraggio in Octopart. Avrai accesso a un motore di ricerca esteso con dati dei distributori e specifiche dei componenti, tutto accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per la gestione dell'energia per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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