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Il primo modello teorico delle prestazioni del ciclo di ricarica potrebbe rivoluzionare la ricerca sulle batterie
Un problema con lo sviluppo della batteria è capire come le prestazioni cambiano con l'età. Una buona conoscenza di questo tipo di degrado consente ai ricercatori di scartare prima i progetti inefficaci e di concentrarsi su quelli più promettenti.
Tuttavia, nessuno ha sviluppato un buon modello teorico del degrado della batteria, quindi questo tipo di informazioni deve essere raccolto dall'esperimento, che può essere un compito lungo e costoso. Ad esempio, le batterie agli ioni di litio di oggi si degradano nel corso di migliaia di cicli.
La disponibilità di un modello matematico semplice, ma accurato, della riduzione della capacità e delle statistiche sulla durata potrebbe accelerare significativamente lo sviluppo e la commercializzazione delle batterie, affermano Matthew Pinson e Martin Bazant del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge.
Ed è esattamente ciò che questi ragazzi hanno sviluppato: un semplice modello del modo in cui la capacità della batteria svanisce nel tempo.
Le batterie si degradano gradualmente man mano che il processo di carica e ricarica richiede inevitabilmente il suo pedaggio. Durante questo ciclo, gli ioni si spostano da una parte all'altra della batteria, forzandosi in reticoli che non sono sempre progettati per accettarli facilmente.
Ad esempio, quando gli ioni di litio entrano in un reticolo di silicio, lo fanno espandere di volume di un fattore quattro. Ciò crea notevoli sollecitazioni meccaniche durante ogni ciclo di carica, che tendono a lacerare il silicio. Ecco perché il silicio, sebbene promettente, deve ancora essere utilizzato come materiale anodico.
Nelle batterie agli ioni di litio, la diminuzione della capacità si verifica per un motivo diverso. In questo caso, l'elettrolita reagisce con il litio all'elettrodo negativo formando uno strato solido permanente chiamato interfase solido-elettrolita.
La batteria continua a funzionare perché gli ioni di litio possono viaggiare facilmente attraverso questo strato.
Tuttavia, questo strato cresce lentamente. La reazione con l'elettrolita rimuove il litio dal sistema e, dopo molte migliaia di cicli, provoca una riduzione graduale delle prestazioni chiamata decadimento della capacità. È questo che alla fine interrompe il funzionamento della batteria.
Il nuovo modello di Pinson e Bazant simula questo processo. Modellano i gradienti di concentrazione del litio attraverso l'interfase solido-elettrolita e il gradiente di concentrazione di altri ingredienti reattivi nell'elettrolita. Ciò consente loro di simulare l'evoluzione dello strato interfase nel tempo.
A nostra conoscenza, questo è il primo tentativo di prevedere teoricamente la distribuzione spazio-temporale della formazione dell'interfase solido-elettrolita in un elettrodo poroso, affermano Pinson e Bazant.
Proseguono estendendo il modello per lavorare con altri materiali che si degradano rapidamente, come il silicio.
Naturalmente, un test importante di qualsiasi modello è la corrispondenza con l'osservazione sperimentale. In questo senso, il modello funziona bene, dicono. I nostri semplici modelli sono in grado di adattarsi con precisione a una varietà di dati sperimentali pubblicati per anodi di grafite e silicio.
Questo è certamente promettente, ma è sempre consigliabile cautela nel mondo notoriamente complesso dell'elettrochimica. Se un modello semplice può aiutare a spiegare un comportamento complesso, tutto bene. Ma ci saranno molti dubbiosi che avranno bisogno di essere convincenti.
Il vero test sarà se questo modello ha un valore predittivo nella ricerca sulle batterie reali: è abbastanza affidabile da aiutare a determinare la direzione del lavoro futuro?
Questa è ancora una domanda aperta.
Rif: arxiv.org/abs/1210.3672 : Teoria della formazione di SEI nelle batterie ricaricabili: diminuzione della capacità, invecchiamento accelerato e previsione della durata