Il nuovo elettrolita può aiutare le batterie dei veicoli elettrici a resistere al freddo

La crescente densità energetica delle batterie agli ioni di litio nel corso degli anni ha portato a veicoli elettrici con un’autonomia di guida più lunga. Ma il driving range crolla di pari passo con le temperature in inverno. Questo calo delle prestazioni della batteria è uno dei motivi che spesso i clienti citano per non voler acquistare un veicolo elettrico.

Riprogettando l'elettrolito della batteria, i ricercatori hanno ora realizzato una batteria che funziona a temperature fino a -20 °C. Rispetto ad altre batterie per climi freddi segnalate finora dai ricercatori, questa ha una durata record di oltre un anno.

Le batterie di oggi funzionano bene a temperature comprese tra 0 °C e 40 °C. Per una diffusione più diffusa, gli sviluppatori stanno cercando di realizzare batterie che funzionino in un intervallo di temperature più ampio, da -40 °C a 60 °C. "L'elevata densità di energia e la lunga durata delle batterie agli ioni di litio a basse temperature sono fondamentali per lo sviluppo di veicoli elettrici adatti a tutte le condizioni climatiche", afferma Chong Yan del Beijing Institute of Technology.

Per far sì che le batterie continuino a funzionare al freddo, oggi i produttori aggiungono isolamento esterno e calore. Ma questo aggiunge anche volume e trasportare quel peso aggiuntivo riduce l’autonomia. Inoltre, non è l'ideale per le batterie per climi freddi per applicazioni sensibili al peso, come droni e satelliti ad alta quota.

Molti ricercatori stanno tentando di migliorare le prestazioni della batteria alle basse temperature concentrandosi sugli elettroliti che trasportano gli ioni di litio tra gli elettrodi della batteria. Le temperature gelide addensano questi elettroliti, quindi gli ioni si muovono più lentamente, portando a una perdita di capacità e a una carica lenta. Alcuni team hanno recentemente utilizzato solventi a bassa temperatura per produrre elettroliti o testato additivi chimici negli elettroliti che aiutano a migliorare la loro tolleranza al freddo. Altri hanno formulato elettroliti completamente nuovi in ​​grado di gestire un ampio intervallo di temperature.

Yan, insieme a Qiang Zhang dell'Università di Tsinghua e ai loro colleghi, si sono concentrati sull'approccio con solvente a bassa temperatura. Sebbene tali solventi favoriscano le prestazioni a basse temperature, è noto che producono gas ad alte temperature che riducono la durata della batteria. "Tuttavia il meccanismo di generazione del gas e la corrispondente strategia di inibizione rimangono sconosciuti", afferma Yan.

Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Matter, i ricercatori svelano ora il meccanismo alla base della generazione di gas e propongono un nuovo elettrolita ad alta concentrazione che hanno progettato come soluzione alternativa al problema.

Hanno scoperto che la placcatura al litio – l’accumulo di litio metallico sulla superficie dell’anodo di grafite della batteria – è il colpevole della generazione di gas. A temperature invernali, poiché gli ioni di litio si muovono lentamente, tendono ad affollarsi quando entrano dall'elettrolita nella grafite, quindi alla fine un po' di litio metallico si accumula sulla superficie. I ricercatori hanno scoperto che il solvente comunemente usato a bassa temperatura, l’acetato di etile, reagisce violentemente con questo litio placcato, provocando la formazione di gas idrogeno ed etano. La pressione derivante dall'accumulo di gas alla fine rompe gli elettrodi e fa guastare la batteria.

Per combattere questa generazione di gas, i ricercatori hanno creato un elettrolita sciogliendo una quantità maggiore del solito di sali di litio in un solvente composto per il 90% da acetato di etile e per il 10% da fluoroetilene carbonato.

I ricercatori hanno quindi realizzato una cella della batteria con questo elettrolita, un anodo di grafite e un catodo NMC811, composto per l’80% da nichel, per il 10% da cobalto e per il 10% da manganese. I catodi NMC811 vengono utilizzati nelle odierne batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni a causa della loro elevata densità di energia e dell'uso minimo del costoso cobalto.

"Tutti i materiali che utilizziamo sono disponibili in commercio e l'elettrolita proposto è ragionevole da produrre su larga scala", afferma Yan, rendendo il nuovo approccio facilmente applicabile ai comuni processi chimici e produttivi delle batterie di oggi.

I ricercatori dimostrano che l’uso dell’acetato di etile come solvente principale mantiene la cella della batteria in funzione a temperature fino a -40 °C. Il sale di litio reagisce con il fluoroetilene carbonato, nel frattempo, per formare uno strato solido sull'anodo che conduce gli ioni di litio ma protegge anche qualsiasi litio metallico che inevitabilmente placca la superficie. Lo strato protettivo impedisce al litio placcato di reagire con l'acetato di etile e di formare gas.