Le ricariche con corrente modulata potrebbero aiutare le batterie agli ioni di litio a durare più a lungo

Come noto, le batterie agli ioni di litio sono sempre più protagoniste nel percorso di transizione energetica. Vengono utilizzate ovunque, dai veicoli elettrici ai dispositivi elettronici, ma questo non vuol dire che la loro efficacia sia massima o che non incorrano in effetti collaterali. In particolare, la capacità di questo tipo di batterie diminuisce gradualmente dopo diversi cicli di ricarica.

Le migliori batterie commerciali agli ioni di litio con elettrodi realizzati con il cosiddetto NMC532 e grafite hanno una durata di circa 8 anni. Solitamente, queste batterie vengono caricate attraverso un flusso di corrente costante. Ma è davvero questo il metodo più vantaggioso?

Secondo un nuovo studio condotto dal gruppo del Professor Philipp Adelhelm presso il centro di ricerca Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) e dall'Università Humboldt di Berlino, la ricarica con corrente costante non è la migliore per prevenire l'invecchiamento delle batterie agli ioni di litio. Lo studio pubblicato sulla rivista Advanced Energy Materials, infatti, analizza l'effetto del protocollo di ricarica sulla durata della batteria, sostenendo che un protocollo basato su corrente pulsata (o modulata) può contribuire ad aumentare la durata delle batterie (fonte Science Daily).

Nel corso della ricerca, le batterie sono state caricate in modo convenzionale con corrente costante (CC) o con un nuovo protocollo di carica con corrente pulsata (PC). Con quest'ultima definizione, si intende una corrente a intermittenza con una frequenza particolarmente rapida, come se la corrente stesse pulsando all'interno del conduttore, da cui il nome.

Le analisi post mortem hanno rivelato chiare differenze dopo diversi cicli di carica: nei campioni CC, l’interfase solido-elettrolita (SEI) sull’anodo era significativamente più spessa, il che ne comprometteva la capacità. Il team ha anche riscontrato ulteriori crepe nella struttura dell’NMC532 e negli elettrodi di grafite, che hanno contribuito alla perdita di capacità. Al contrario, la ricarica con PC ha comportato un’interfase SEI più sottile e minori cambiamenti strutturali nei materiali degli elettrodi.

Un altro ricercatore dell'HZB, il dottor Yaolin Xu, ha poi condotto l'indagine sulle celle agli ioni di litio utilizzando BESSY II, l'acceleratore di particelle con una sorgente di luce sincrotrone che si trova presso l'HBZ. In particolare, ha operato con la spettroscopia Raman e la dilatometria, nonché con la spettroscopia di assorbimento dei raggi X, per analizzare cosa accade durante la ricarica con diversi protocolli. "La carica con corrente pulsata favorisce la distribuzione omogenea degli ioni di litio nella grafite e quindi riduce lo stress meccanico e la rottura delle particelle di grafite. Ciò migliora la stabilità strutturale dell'anodo di grafite" è la conclusione a cui è giunto Xu.

Tuttavia, un fattore determinante è la frequenza della corrente pulsata. Gli scienziati sostengono che i protocolli di ricarica con PC ad alta frequenza e con corrente a onda quadra prolungano maggiormente la durata delle batterie agli ioni di litio commerciali. La coautrice dello studio, la Prof.ssa Julia Kowal, esperta in tecnologia di accumulo dell'energia elettrica, sottolinea: "La carica pulsata potrebbe portare molti vantaggi in termini di stabilità dei materiali degli elettrodi e delle interfacce e prolungare significativamente la durata delle batterie".