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Un test più rapido per le batterie delle auto elettriche
Ci vogliono anni per verificare che una nuova tecnologia delle batterie durerà per tutta la vita di un'auto ibrida o elettrica. Ciò significa che i materiali delle batterie che potrebbero costare meno e immagazzinare più energia rispetto alle batterie odierne stanno languendo sui banchi di laboratorio.
Tester della batteria: Questo sistema carica e scarica 60 celle della batteria e prevede quanto dureranno.
Un nuovo modo per testare le batterie agli ioni di litio potrebbe ridurre quel tempo a poche settimane anziché ad alcuni anni, eliminando un collo di bottiglia chiave che mantiene alti i costi della batteria e basse le capacità di archiviazione.
Misurando con precisione l'efficienza con cui le batterie sperimentali immagazzinano e forniscono una carica elettrica, Jeff Dahn della Dalhousie University può prevedere quante volte le celle della batteria possono essere caricate e scaricate, noto come ciclo di vita della batteria. Dahn, un professore di fisica e chimica, sta anche cercando di dimostrare che il metodo può prevedere quanto durerà una batteria sullo scaffale, nota come durata del calendario.
Insieme, la durata del ciclo e la durata del calendario determinano per quanto tempo una batteria sarà utile. Sono essenziali per determinare, ad esempio, quanto deve essere grande la batteria per immagazzinare la quantità di energia pubblicizzata per tutta la vita dell'auto.
La tecnica ha attirato l'attenzione delle case automobilistiche, che stanno cercando di convalidarla e utilizzarla, in particolare come strumento per prevedere la vita del ciclo. Potrebbe anche consentire agli accademici, che hanno meno risorse delle case automobilistiche, di sviluppare materiali per batterie con un reale potenziale commerciale. Riteniamo che questa tecnica possa essere molto utile, afferma Masaki Matsui, responsabile del dipartimento di ricerca sui materiali presso Istituto di ricerca Toyota del Nord America . Dice che identificherà i problemi con i materiali molto presto nello sviluppo della batteria, consentendo ai ricercatori di selezionare rapidamente le combinazioni di elettrodi ed elettroliti della batteria.
Una serie di cose può andare storto in una batteria. L'intuizione chiave dell'approccio di Dahn è che molti di questi intoppi possono presentarsi in un singolo test: la misurazione della differenza tra la quantità di carica che entra in una batteria durante la carica e la quantità che esce quando è scarica (chiamata anche efficienza coulombica ). Se esce meno carica di quella che entra, quell'energia viene sprecata da reazioni indesiderate all'interno della batteria. Queste perdite si sommano: con cicli successivi, la batteria restituisce sempre meno carica fino a quando alla fine non è utilizzabile.
Dahn ha realizzato un sistema di ricarica delle batterie in grado di rilevare perdite di carica molto piccole, individuando in poche settimane la presenza di reazioni di accorciamento della vita che altrimenti non si sarebbero manifestate se non dopo mesi o anni di test. Dahn ha utilizzato la tecnica per identificare sottili cambiamenti nella chimica che possono aumentare la durata del ciclo di un tipo di batteria fino a sei volte.
Test così accurati non erano necessari per le batterie agli ioni di litio quando venivano utilizzate quasi interamente per l'elettronica portatile che doveva durare solo pochi anni. Ma ora le batterie vengono progettate per alimentare i veicoli elettrici o per immagazzinare energia dai pannelli solari e devono durare 10, 15, 20 anni o più. In tali intervalli, anche una piccola inefficienza può portare a grossi problemi.
Inoltre, i produttori di batterie stanno mescolando cocktail di elettroliti sempre più complessi, ogni parte dei quali potrebbe cambiare in modo significativo la durata di una batteria. Gli elettroliti hanno qualcosa come 10 componenti. Quindi vuoi valutare più additivi. È solo un incubo, dice Dahn. Con le tecniche di misurazione convenzionali, dice, è difficile sapere se un cambiamento che hai fatto è buono o cattivo senza fare un test che è più lungo della tua carriera. Misurando accuratamente l'efficienza coulombiana, dice, in poche settimane hai tutto.
Mark Mathias, manager di General Motors laboratorio di ricerca sull'energia elettrochimica a New York, non è completamente convinto. Quello che sta facendo Jeff è un'ottima diagnosi. Sono d'accordo che dovremmo usarlo, ma è uno strumento, non una panacea, dice. Per prima cosa, non dice ai ricercatori cosa non va in una cellula. Mathias afferma che i ricercatori hanno bisogno di una comprensione molto migliore delle cause alla base delle perdite di efficienza. Ciò li aiuterebbe a risolvere i problemi identificati dai test di Dahn.
Mathias non è nemmeno sicuro che il test si dimostrerà affidabile per misurare la vita del calendario. Potrebbe essere usato per aiutare a valutare le batterie, dice, ma la sfortunata realtà è che non possiamo sapere con certezza di avere un test accelerato che imita 10 anni a meno che non abbiamo testato per 10 anni, dice.
Dahn afferma che in questo momento la sua attrezzatura è abbastanza precisa da dire ai ricercatori se una particolare modifica alla chimica della batteria farà la differenza tra la durata di 500 cicli di ricarica (necessari per alcuni anni di guida di un veicolo elettrico) o 1.000. Ora sta lavorando con un produttore di apparecchiature per migliorare il processo per previsioni accurate a circa 10.000 cicli.