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Batterie agli ioni di litio ad alta capacità di 3M
Entro la fine del prossimo anno, gli ingegneri a 3M , con sede a St. Paul, MN, prevede di avere pronti per i produttori di batterie nuovi materiali e metodi di produzione che aggiungeranno il 30% in più di capacità alle batterie agli ioni di litio. Questi nuovi metodi affronteranno anche i problemi di sicurezza relativi all'uso di tali batterie nei laptop.
I recenti richiami delle batterie per laptop agli ioni di litio di Sony, a causa dei timori che le batterie potessero prendere fuoco, includevano quelle utilizzate in alcuni computer Dell e Apple e potrebbero estendersi fino a 9,6 milioni di batterie per laptop. Quindi non sorprende che, mentre Sony afferma che sono state apportate modifiche alle fabbriche che dovrebbero occuparsi del problema, molti produttori si stanno affannando per trovare una tecnologia più sicura. Ma le alternative alle tradizionali batterie agli ioni di litio tendono a presentare dei compromessi, come l'aumento dei costi o la diminuzione della capacità di accumulo di energia (vedi Batterie più sicure e ad alta capacità e Come le batterie del futuro saranno più durature e più sicure).
Il progresso di 3M include nuovi elettroliti e materiali per elettrodi. Sebbene entrambi i materiali costeranno più delle tradizionali batterie agli ioni di litio, la capacità energetica aggiuntiva dei materiali degli elettrodi dovrebbe compensare la spesa abbassando la misura chiave per il prezzo della batteria, il costo per wattora, afferma lo specialista di ricerca 3M Mark Obrovac.
L'azienda sta affrontando la sicurezza delle batterie migliorando gli elettroliti, il liquido all'interno delle batterie agli ioni di litio che conduce gli ioni di litio ma blocca gli elettroni, costringendoli a viaggiare attraverso un circuito esterno per alimentare un dispositivo. In determinate condizioni, ad esempio quando una batteria è sovraccarica, surriscaldata o presenta un cortocircuito interno causato da danni o problemi di fabbricazione, l'elettrolita può reagire chimicamente con i materiali negli elettrodi della batteria. In alcuni casi, la batteria potrebbe esplodere, spruzzando elettrolita nell'aria circostante dove può incendiarsi come un lanciafiamme, afferma Obrovac.
L'azienda ha sviluppato additivi per gli elettroliti esistenti, nonché nuovi elettroliti che non reagiscono con gli elettrodi. Infatti, se sottoposti a una fiamma libera, gli elettroliti più sicuri non prendono fuoco. Come ulteriore vantaggio, afferma il responsabile tecnico della ricerca sulle batterie di 3M, Doug Magnuson, i nuovi prodotti chimici funzionano meglio a temperature estremamente basse, come meno 40 gradi Celsius, a cui altri elettroliti bloccano il flusso di ioni e riducono efficacemente la capacità della batteria dall'80 al 90 percento . Questa perdita di capacità è ora un ostacolo chiave all'utilizzo di batterie agli ioni di litio nei veicoli ibridi, che potrebbero essere esposti a queste condizioni. I nuovi elettroliti consentirebbero agli ioni di fluire più liberamente a queste temperature, limitando potenzialmente le perdite a circa il 40% della capacità, stima Obrovac.
Gli ingegneri 3M affermano inoltre che i nuovi materiali per gli elettrodi miglioreranno la capacità energetica della batteria del 30 percento. Ad esempio, l'azienda sta sostituendo gli attuali materiali dell'anodo, a base di grafite, con un anodo a base di silicio che dovrebbe raddoppiare la quantità di ioni di litio che l'anodo può immagazzinare. La capacità delle batterie agli ioni di litio è limitata dalla quantità di litio che può essere immagazzinata negli elettrodi. Gli anodi di grafite possono richiedere sei atomi di carbonio per immagazzinare solo uno ione di litio. Gli elettrodi contenenti metalli e metalloidi come stagno o silicio possono contenere molti più ioni di litio, ad esempio quasi quattro ioni per ogni atomo di silicio, formando leghe.
Ma tali elettrodi sono stati poco pratici perché il materiale può gonfiarsi fino a tre volte la sua dimensione originale poiché incorpora ioni di litio. Tali cambiamenti drammatici nelle dimensioni devastano una cellula, accorciando la sua vita utile.
L'approccio di 3M riduce la quantità di espansione dell'anodo utilizzando silicio amorfo, anziché silicio cristallino, e accoppiandolo con materiali inerti, contribuendo a stabilizzare il sistema. Gli ingegneri 3M hanno anche sviluppato metodi migliori per depositare i materiali sui film che vengono successivamente arrotolati per formare una batteria cilindrica. Ora stanno ottimizzando questi metodi per la produzione su larga scala.
I nuovi materiali riducono ma non eliminano l'espansione e la contrazione mentre gli ioni entrano ed escono dall'anodo. Di conseguenza, i ricercatori stanno sviluppando nuovi design di batterie in grado di assorbire i cambiamenti di dimensione. Obrovac afferma che questi progetti, insieme ai nuovi materiali per elettrodi ed elettroliti, dovrebbero essere pronti per i produttori di batterie per iniziare a incorporarli nei loro prodotti l'anno prossimo.
Ted Miller, supervisore della tecnologia avanzata delle batterie presso Ford Motor , a Dearborn, MI, afferma che un passaggio dalla grafite a questo tipo di anodi è, oltre a offrire guadagni di capacità, essenziale per far fronte a condizioni estremamente fredde a cui potrebbero essere esposti nelle applicazioni dei veicoli. In queste condizioni, la ricarica di una batteria può causare l'accumulo di litio metallico, che a volte provoca danni per molti mesi alla batteria nel giro di pochi minuti. Allontanarsi dalla grafite impedirà le reazioni che portano all'accumulo di litio-metallo, afferma Miller.
Finora, in commercio viene utilizzato un solo anodo a base di lega: una batteria di Sony chiamata Nexelium, che utilizza un anodo a base di stagno. Ma questa tecnologia inizierà ad apparire più spesso, secondo lo scienziato dei materiali del MIT Eppure-Ming Chiang . È una direzione molto logica per le aziende produttrici di batterie, dice.