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La tecnologia delle batterie ha fatto molta strada da quando la pila voltaica udimentale è stata sviluppata oltre due secoli fa. L'innovazione rivoluzionaria della batteria agli ioni di litio e i suoi successivi miglioramenti hanno aumentato l'uso e l'accessibilità dell'elettronica, in particolare nel mercato consumer. L'elettronica è più portatile, conveniente e, grazie alle batterie ricaricabili o secondarie, sta diventando più sostenibile.
L'espansione delle possibilità applicative è un altro motivo per cui la ricerca sull'accumulo di energia, in particolare sulle batterie, è attualmente un argomento caldo. Ad esempio, solo un decennio fa i droni erano il dominio del complesso industriale militare e ora un drone con una fotocamera è una parte standard di quasi tutti i fotografi di successo o l'attrezzatura degli influencer. Grazie a una maggiore durata della batteria e a materiali più economici, un drone ora ha un prezzo accessibile per un segmento più ampio della popolazione civile.
Questo tipo di interruzione si sta verificando anche in mercati più grandi e redditizi. Tesla, un marchio degno di nota grazie alle sue innovazioni tecnologiche e alle pubbliche relazioni, ha ancora una piccola, seppur crescente, quota di mercato del mercato automobilistico generale. Il loro successo ha sfidato altri marchi affermati a riconoscere che un cambiamento dai motori a combustione convenzionali può essere redditizio. Volvo e Ford si impegnano a diventare «completamente elettriche» entro il 2030 [1]. General Motors (GM) si è impegnata non solo a essere elettrica entro il 2035, ma anche a rendere la propria attività a emissioni zero entro il 2040 [2].
Il mercato automobilistico è un esempio di alto profilo di un'industria che riorganizzerà drasticamente il proprio settore, dalla produzione alle vendite, e ciò accadrà in molti altri settori poiché vi è una maggiore attenzione ai cambiamenti climatici e alle fonti di energia rinnovabile da parte dei governi e dei consumatori allo stesso modo. Per rendere possibili queste trasformazioni saranno necessarie attività di ricerca e sviluppo accurate e scalabili e la ricerca di migliori soluzioni di accumulo di energia è al centro di questi cambiamenti.
L'elettrochimica è stata la chiave per la scoperta dell'accumulo di energia ed è la tecnica naturale preferita per le innovazioni future.
Tecniche di caratterizzazione elettrochimica per batterie agli ioni di litio
Nel prima parte di questa serie, abbiamo introdotto varie tecniche per analizzare la composizione e la purezza dei materiali degli elettrodi e dei sali di litio, oltre alla determinazione accurata del contenuto d'acqua nei materiali delle batterie.
Potenzia la tua ricerca sulla batteria - Parte 1
In questo articolo si evidenziano le tecniche che consentiranno la caratterizzazione di molteplici attributi del comportamento elettrochimico delle batterie agli ioni di litio utilizzando un potenziostato/galvanostato ad alta precisione. In alcuni casi, la differenza tra le tecniche è dovuta all'esecuzione dell'esperimento in una modalità diversa (cioè potenziostatica o galvanostatica) e le informazioni aggiuntive raccolte forniscono un quadro più completo del comportamento della batteria.
Tecnica di titolazione galvanostatica intermittente (GITT)
Una delle prime tecniche a disposizione dei ricercatori che esplorano le proprietà dei materiali degli elettrodi delle batterie è la Tecnica di titolazione intermittente galvanostatica (GITT). Solitamente condotta su una semicella, questa tecnica è una serie di perturbazioni di corrente seguite da un tempo di rilassamento, che fornisce informazioni sulle proprietà termodinamiche e sui materiali degli elettrodi, incluso il coefficiente di diffusione critico. Tutte queste informazioni danno una migliore comprensione del comportamento elettrochimico che ci si può aspettare dai materiali.
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Tecnica di titolazione intermittente potenziostatica (PITT)
La tecnica di titolazione intermittente potenziostatica (PITT) è simile alla tecnica GITT sopra descritta, ma il PGSTAT funziona in modalità potenziostatica. Al sistema viene applicata una serie di potenziali perturbazioni a gradino e la corrente viene misurata in funzione del tempo. Sia GITT che PITT sono in grado di determinare con precisione il coefficiente di diffusione.
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Quando si utilizza un PGSTAT in modalità galvanostatica è anche possibile caratterizzare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio utilizzando diverse velocità di corrente e caricando e scaricando durante vari cicli, conosciuti colloquialmente come «cycling». Con questa tecnica i ricercatori possono comprendere le prestazioni in termini di velocità della batteria agli ioni di litio, la sua capacità e la potenza e la densità di energia associate. Questa è la tecnica comunemente usata nella ricerca sulle batterie. Di solito viene applicata una procedura a tensione costante a corrente costante (CCCV) per assicurarsi che una batteria sia completamente carica, evitando il sovraccarico della batteria.
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Carica-scarica galvanostatica di una batteria agli ioni di litio con Autolab
CCCV è lo standard industriale per la ricarica delle batterie agli ioni di litio e PGSTAT funziona sia in modalità galvanostatica che potenziostatica per questa misurazione. Il ciclo galvanostatico viene eseguito all'interno di una finestra di potenziale sicuro in cui l'elettrolita è stabile. Qualsiasi leggera deviazione dal potenziale limite di interruzione può comportare una durata del ciclo ridotta.
Spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS)
La spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) fornisce dati aggiuntivi e quindi una maggiore comprensione del comportamento della batteria e delle potenziali prestazioni utilizzando il ciclo galvanostatico di carica/scarica e quindi aggiungendo la tecnica più potente che viene ampiamente utilizzata nell'attuale ricerca sulle batterie. Con EIS è possibile caratterizzare il comportamento altamente dinamico di una batteria e la diffusione di ioni alle interfacce. In un'unica procedura sperimentale che comprende un'ampia gamma di frequenze, l'influenza dei fenomeni fisici e chimici che la governano può essere isolata e distinta a una data gamma di frequenze e stato di carica. Con EIS è possibile misurare l'impedenza interna della batteria e modellarla utilizzando il circuito equivalente e comprendere il contributo dei componenti della batteria all'impedenza totale della cella.
Per la determinazione EIS delle batterie è importante utilizzare il rilevamento a 4 terminali per evitare il contributo dei fili all'impedenza complessiva. Questo è importante per qualsiasi sistema elettrochimico a bassa impedenza. Scopri di più su questa ricerca scaricando le nostre Application Notes gratuite di seguito.
Metrohm Autolab DuoCoin Cell Holder con misure EIS su una batteria commerciale
Con EIS è possibile determinare la tortuosità attraverso il piano degli elettrodi della batteria, che insieme alla conduttività elettrolitica complessiva, al numero di trasferimento di un elettrolito della batteria agli ioni di litio, e al coefficiente di diffusione dell'elettrolita forniscono una buona indicazione della praticità di alcune batterie chimiche per applicazioni ad alta potenza. Inoltre, la limitazione del trasporto di massa del separatore di batterie e la sua conduttività ionica svolgono un ruolo cruciale nelle prestazioni complessive delle batterie.
Determinando il numero MacMullin, i ricercatori possono determinare la qualità dei separatori per la loro applicazione in alcune cellule agli ioni di litio.
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Determinazione del coefficiente di diffusione binaria di un elettrolita di una batteria
Per saperne di più su questo argomento, scarica il nostro White Paper gratuito di seguito scritto da innovatori di strumenti elettrochimici presso Metrohm Autolab. Questo documento fornisce ulteriori informazioni sulle tecniche elettrochimiche applicabili e fornisce definizioni utili alle terminologie rilevanti per la ricerca e lo sviluppo di batterie agli ioni di litio.
WP-052: Una guida alla ricerca e allo sviluppo delle batterie agli ioni di litio
