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I test rapidi producono materiali per batterie ad alta energia
Utilizzando un nuovo approccio automatizzato per costruire e testare rapidamente migliaia di celle della batteria, Wildcat Discovery Technologies, una startup di San Diego, in California, ha sviluppato nuovi materiali che potrebbero aumentare la capacità di stoccaggio delle batterie agli ioni di litio per auto e dispositivi elettronici portatili di oltre 25 per cento.
Batteria favolosa: Questa custodia ospita apparecchiature automatizzate per la costruzione e il test di centinaia di batterie a settimana. Ogni batteria è realizzata con diversi materiali sperimentali.
Le batterie basate sui nuovi materiali potrebbero ampliare la gamma dei veicoli elettrici o consentire alle case automobilistiche di mantenere la stessa autonomia ma utilizzare meno celle della batteria, riducendo così il costo del pacco batteria, la parte più costosa di un'auto elettrica. È ancora necessario lavorare per migliorare la durata dei nuovi materiali, ma i risultati forniscono la convalida della tecnica di screening ad alto rendimento di Wildcat che consente ai ricercatori di selezionare rapidamente le combinazioni di materiali.
Lo screening ad alto rendimento è comune nelle industrie farmaceutiche e chimiche per scoprire nuovi composti e catalizzatori e la tecnica ha fatto breccia nello sviluppo delle batterie. Ciò che rende diverso il processo di Wildcat è che realizza celle complete della batteria, non solo singole parti delle celle, come gli elettrodi. Questo è importante perché le prestazioni di un dato materiale nella cella dipendono da come interagisce con le altre parti. Con gli approcci convenzionali, ottieni molti falsi positivi e falsi negativi, dice Steven Kaye , direttore scientifico di Wildcat. Un materiale per elettrodi che di per sé sembra promettente potrebbe guastarsi in una cella completa poiché interagisce con elettroliti, additivi e l'elettrodo opposto, afferma. E uno che sembra mediocre potrebbe migliorare notevolmente se mescolato con altri materiali in una cella.
Il nuovo materiale di Wildcat, una variante del litio cobalto fosfato, è uno che normalmente sarebbe stato rifiutato perché funziona a una tensione che distrugge rapidamente l'elettrolita della batteria, il liquido che conduce gli ioni di litio tra gli elettrodi. Ma i ricercatori hanno abbinato il materiale a molte nuove ricette di elettroliti e alla fine ne hanno scoperto uno che potrebbe sopravvivere all'alta tensione. In tutto, l'azienda ha vagliato 4.000 materiali in un periodo di circa quattro mesi per trovare quelli che funzionavano.
Il processo inizia con la miscelazione automatica di materiali precursori liquidi, seguita dalla produzione di elettrodi in polvere con proprietà diverse, la formazione di pellicole di elettrodi e la combinazione di elettrodi, separatore ed elettroliti in una pila a bottone del tipo che si trova negli orologi batterie. Queste cellule vengono testate e le migliori vengono migliorate.
La capacità di selezionare migliaia di combinazioni di materiali e incorporarli in celle complete della batteria è piuttosto impressionante, afferma Jeff Dahn , professore di fisica alla Dalhousie University che utilizza metodi ad alto rendimento per studiare i materiali delle batterie. Hanno fatto molta strada in poco tempo, dice.
Wildcat è stata fondata nel 2006 e ha raccolto 16,5 milioni di dollari in fondi di rischio. Ha anche entrate da oltre 40 progetti di ricerca con i principali produttori. I suoi fondatori includono Peter Schultz, professore allo Scripps Research Institute e pioniere della chimica combinatoria ad alto rendimento.
Le celle della batteria che utilizzano i nuovi materiali di Wildcat immagazzinerebbero circa il 60% di energia in più in volume rispetto a litio ferro fosfato celle, un tipo utilizzato dai produttori di veicoli elettrici. Rispetto ad alcune batterie ad alta energia che potrebbero essere presenti nei veicoli elettrici di prossima generazione, come quelle che utilizzano un mix di nichel, manganese e cobalto, i nuovi materiali potrebbero produrre un aumento di energia di oltre il 25% in volume, afferma Kaye. .
Non è chiaro come i materiali influenzeranno il costo complessivo della batteria. Il miglioramento della capacità ridurrà i costi e la maggiore tensione delle celle semplificherà il cablaggio nei pacchi batteria, il che ridurrà anche i costi, ma l'uso del cobalto li renderà più costosi del litio ferro fosfato. Per ridurre i costi, l'azienda sta lavorando su materiali per elettrodi che sostituiscano il nichel al cobalto.
Le nuove formulazioni di elettroliti che l'azienda ha sviluppato potrebbero aprire la possibilità di utilizzare altri materiali per elettrodi ad alta tensione, inclusa una classe di materiali chiamati fluorofosfati che, se accoppiati con elettrodi opposti ad alte prestazioni, potrebbero raddoppiare la capacità della batteria, Kaye dice.
L'azienda sta attualmente producendo lotti di prova dei suoi nuovi materiali e spera di concedere in licenza la tecnologia a società di materiali e batterie, ma la durata dei materiali deve ancora essere migliorata. Dopo 150 cicli di carica, la capacità del materiale dell'elettrodo è diminuita del 20 percento. Per l'utilizzo nell'elettronica portatile, la batteria deve durare alcune centinaia di cicli. Per le auto elettriche, la batteria deve conservare l'80% della sua capacità di stoccaggio per migliaia di cicli.