Blog circa Dati Decennali Rivelano Difetti nei Modelli di Invecchiamento delle Batterie agli Ioni di Litio

Le moderne batterie agli ioni di litio, le centrali elettriche dietro i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo sulla rete, affrontano un avversario invisibile durante le loro vite prevalentemente inattive. Mentre queste batterie trascorrono circa il 90% della loro esistenza in deposito, come ad esempio i veicoli elettrici parcheggiati, continuano a degradarsi attraverso un processo chiamato invecchiamento da calendario, in cui reazioni parassitarie riducono gradualmente la capacità e aumentano la resistenza.

Comprendere l'invecchiamento da calendario presenta una sfida temporale unica: la raccolta di dati significativi sulla degradazione a temperatura ambiente richiede anni. Gli scienziati di solito aggirano questo problema raccogliendo dati a temperature estreme per periodi più brevi, quindi estrapolando attraverso modelli di invecchiamento accelerato. Questi modelli si basano tradizionalmente su due principi fondamentali: il t ^0.5 dipendenza dal tempo (che riflette la crescita limitata alla diffusione dello strato di interfaccia dell'elettrolita solido) e la dipendenza dalla temperatura di tipo Arrhenius.

Mentre numerosi studi inizialmente supportavano questi modelli tradizionali in varie chimiche delle batterie, inclusi anodi in grafite abbinati a catodi al nichel-manganese-cobalto (NMC) o al litio ferro fosfato (LFP), la ricerca emergente rivela deviazioni significative. Alcune batterie dimostrano dipendenze temporali di legge di potenza alternative (t ^b ), mentre altre mantengono il comportamento di Arrhenius in temperatura ma abbandonano la relazione t ^0.5 . Queste discrepanze suggeriscono meccanismi di degradazione più complessi in gioco, che potrebbero coinvolgere la crescita dell'interfaccia elettrolitica del catodo, la dissoluzione dei metalli di transizione o la corrosione del collettore di corrente in rame.

La maggior parte degli studi sull'invecchiamento da calendario copre da mesi a cinque anni, eppure le batterie del mondo reale richiedono prestazioni decennali. Recenti studi di lunga durata rivelano approfondimenti critici:

• Gli effetti passivi di sbalzo dell'anodo diminuiscono dopo un anno, lasciando il posto a tendenze di invecchiamento lineare
• Gli esponenti della legge di potenza cambiano drasticamente nel tempo, in modo simile ai "punti di ginocchio" osservati nell'invecchiamento ciclico
• Le deviazioni di Arrhenius emergono solo su scale temporali più lunghe

Questi risultati suggeriscono che i modelli convalidati con dati a breve termine potrebbero travisare in modo significativo la degradazione a lungo termine.

Uno studio rivoluzionario che analizza 232 batterie di otto tipi, quattro chimiche e cinque produttori per oltre 13 anni rivela diverse conclusioni che cambiano il paradigma:

• La dipendenza dalla temperatura varia in modo inaspettato: Deviazioni significative di Arrhenius si verificano anche tra batterie simili dello stesso produttore, causando potenzialmente anni di errore di previsione per l'invecchiamento a temperatura ambiente.
• La dipendenza dal tempo si evolve: La relazione idealizzata t ^0.5 lascia il posto a valori meno auto-passivanti, con variazioni sostanziali tra le chimiche.
• Percorsi di degradazione divergenti: La capacità e lo sbiadimento della potenza seguono traiettorie distinte e non correlate.
• L'individualità conta: La variazione da cella a cella rappresenta differenze di degradazione sostanziali, sottolineando la necessità di analisi a cella singola insieme alle tendenze della popolazione.

Questi risultati richiedono una rivalutazione fondamentale dei modelli di invecchiamento delle batterie e delle strategie di gestione. Le future direzioni di ricerca dovrebbero dare la priorità a:

• Sviluppare modelli di invecchiamento di nuova generazione che incorporino molteplici meccanismi di degradazione e apprendimento automatico
• Ottimizzare i sistemi di gestione della batteria in base alla comprensione raffinata dell'invecchiamento da calendario
• Migliorare la coerenza della produzione per ridurre la variazione da cella a cella
• Esplorare nuovi materiali e design con maggiore longevità

Mentre il mondo passa all'elettrificazione e allo stoccaggio di energia rinnovabile, prevedere e mitigare accuratamente l'invecchiamento delle batterie diventa sempre più cruciale. Questa ricerca fornisce le basi per lo sviluppo di soluzioni di accumulo di energia più durevoli e affidabili per alimentare il nostro futuro sostenibile.