Più densità di energia e sicurezza? Si parte dal collettore di corrente

Scienziati di Stanford e dello SLAC al lavoro sui collettori di corrente delle batterie per renderle più leggere e sicure con un “sandwich” di rame, polimeri e sostanze ritardanti

Gli ultimi mesi ed anni della ricerca sulle batterie sono ricchissimi di innovazione riguardante elettrodi, elettroliti, e anche i separatori. Scienziati dell’università di Stanford e dello SLAC National Accelerator Laboratory si sono messi alla prova su uno dei componenti più trascurati e più pesanti di una cella: i collettori di corrente.

Abitualmente realizzati in rame o alluminio, col duplice scopo di ridurne il peso dell’80% e di usarli come barriera in caso di corti circuiti che possono scatenare incendi.

La possibile adozione di ricerche di questo tenore servirebbe sia ad ampliare l’autonomia dei veicoli o le performance dell’elettronica di consumo sia a ridurre i rischi di incendio delle batterie agli ioni di litio.

Un fattore ricorrente che ha ad intermittenza creato problemi dagli smartphone e laptop proibiti nelle stive degli aerei fino ai richiami di questi giorni che riguardano auto elettriche pure Hyundai, ed ibride BMW e Ford.

Il team ha pubblicato un articolo dal titolo: “Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries” appena uscito sulla rivista scientifica Nature Energy che ruota attorno al concetto espresso dal Professor Yi Cui: “il collettore di corrente è sempre stato considerato peso morto, e finora non è stato sfruttato con successo per migliorare le performance della batteria”.

Il docente del SIMES (Stanford Institute for Materials and Energy Sciences) che ha guidato la ricerca ha anche aggiunto: “alleggerire il collettore di corrente dell’80% ha aumentato la densità di energia delle batterie agli ioni di litio (quanta energia possono stoccare per un dato peso) tra il 16 e il 26%. Si tratta di un grande balzo rispetto alla media del 3% di aumento raggiunta in anni recenti”.

Tutte le celle, indipendentemente dal loro fattore forma, hanno un collettore di corrente per ciascuno dei due elettrodi attraverso i quali fluisce la corrente. Il loro peso incide tra un minimo del 15% ed un massimo del 50% nei casi di alcune batterie ultra-sottili.

Fino ad oggi precedenti tentativi di ridurre il peso si sono concentrati sulla riduzione della sezione del collettore o nel provare a sperimentarne alcuni ad elevata porosità. La riduzione del peso ottenuta però si accompagnava a maggiore fragilità della cella o addirittura a minore stabilità, che doveva essere compensata da uso di più elettrolita, con costi superiori, hanno precisato due ricercatori che hanno partecipato all’esperimento, Yusheng Ye e Lien-Yang Chou.

Anche l’aspetto della sicurezza ha creato alcuni interrogativi in passato, perché chi aveva cercato di aggiungere sostanze ritardanti agli elettroliti aveva dovuto scontare negli esperimenti un calo della capacità di conduzione degli ioni.

Cui, Ye e altri collaboratori si sono alla fine indirizzati verso un polimero ultra-leggero: la poliammide, che è in grado di resistere al fuoco e non ha problemi a sopportare le alte temperature che possono svilupparsi specialmente durante le ricariche veloci o ultra-veloci.

Infine il ritardante TPP (triphenyl phosphate) è stato inserito nel polimero e questo usato combinato in un sandwich di rame come sottilissimo rivestimento della lamina. In questo modo il rame non solo era in grado di continuare il suo abituale lavoro di far fluire la corrente nell’anodo ma di fare da protezione per i componenti della cella.

I ricercatori sono arrivati a ridurre il peso del collettore di corrente dell’80% rispetto alle versioni attualmente comuni oltre a migliorare la densità di energia della percentuale già indicata e senza perdere in performance rispetto alla capacità di condurre delle lamine usate oggi commercialmente.

Di particolare interesse la dimostrazione della capacità di contenere le fiamme, provata dai video diffusi, considerato che le celle pouch con collettori di corrente prendono fuoco e questo non si esaurisce fino a che tutto l’elettrolita è bruciato (video in alto), mentre i collettori con ritardante incluso nel sandwich produce fiamme minime che non tendono a riaccendersi una volta stimolate nuovamente (video in basso).

Un altro aspetto importante per la manifattura delle batterie (ma anche per i clienti potenzialmente in futuro) è che secondo il Professor Cui l’alternativa è poco costosa. Il polimero al posto del rame è un vantaggio nel bilancio complessivo del costo della cella, e i ricercatori considerano relativamente semplice l’adozione su scala commerciale.

Credito immagine di apertura: tratta dal paper di Yusheng Ye et Al./Stanford UniversityUltralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries”.