Blog circa La tecnologia degli elettrodi secchi aumenta l'efficienza delle batterie agli ioni di litio e riduce i costi

Il panorama energetico globale sta subendo una profonda trasformazione, accelerando verso un'economia basata sull'elettricità alimentata da energia rinnovabile. Al centro di questa transizione c'è la tecnologia delle batterie agli ioni di litio (LIB), che non solo ha alimentato l'ascesa dei veicoli elettrici (EV), ma ha anche fornito soluzioni economicamente valide per lo stoccaggio di energia su larga scala. Tuttavia, per raggiungere un'ampia adozione dei veicoli elettrici, la produzione di batterie deve aumentare drasticamente, mantenendo al contempo gli standard ambientali e riducendo i costi. Soddisfare la crescente domanda di batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici, stoccaggio stazionario, utensili elettrici ed elettronica portatile presenta una sfida critica: come espandere la capacità produttiva, ridurre i costi e ridurre al minimo l'impronta di carbonio della produzione.

Entra in gioco la tecnologia degli elettrodi secchi (DBE), un approccio innovativo destinato a rivoluzionare la produzione di batterie agli ioni di litio affrontando direttamente queste sfide.

La produzione tradizionale di batterie agli ioni di litio si basa su un processo a base di slurry in cui materiali attivi, additivi conduttivi e leganti vengono miscelati con solventi, rivestiti su fogli metallici e asciugati per formare elettrodi. Questo metodo è ad alta intensità energetica, richiede molto tempo e richiede solventi tossici come l'N-metil-2-pirrolidone (NMP), che presenta rischi ambientali e per la salute. Il recupero e lo smaltimento dell'NMP aumentano ulteriormente i costi di produzione.

Al contrario, la tecnologia degli elettrodi secchi elimina completamente i solventi. Invece, una miscela di polvere secca viene pressata o rivestita direttamente su fogli metallici, semplificando la produzione, riducendo il consumo di energia e riducendo al minimo l'impatto ambientale.

La ricerca attuale sulla tecnologia degli elettrodi secchi si concentra principalmente sui materiali catodici, poiché l'NMP rimane indispensabile nella produzione convenzionale di catodi, mentre i materiali anodici possono già essere prodotti utilizzando processi a base d'acqua. Questo articolo segue questa tendenza, esaminando in dettaglio la relazione struttura-prestazioni dei catodi lavorati a secco.

Gli studi hanno dimostrato che i processi di rivestimento a secco a base di politetrafluoroetilene (PTFE) possono produrre con successo elettrodi con vari materiali attivi catodici (CAM), tra cui NMC, NCA, NCMA, LFP, LMO, LMNO e LCO. Gli elettrodi lavorati a secco mostrano prestazioni di velocità e cicli paragonabili a quelli realizzati tramite processi a umido, sottolineando la fattibilità e il potenziale della tecnologia DBE.

Le prestazioni degli elettrodi dipendono non solo dalla composizione chimica dei materiali attivi, ma anche da parametri come la distribuzione granulometrica, la formulazione e gli additivi. Di seguito sono riportati tre fattori critici esplorati attraverso casi di studio:

Matthews et al. hanno analizzato la microstruttura e le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi NMC622 a base di PTFE, concentrandosi sulla descrizione qualitativa del processo di fibrillazione. La microscopia elettronica a scansione (SEM) ha rivelato l'ancoraggio del PTFE sulle superfici NMC e il successivo disimpegno dell'unità cristallina. Con un contenuto di PTFE dell'1%, l'elettrodo ha formato una rete gerarchica di fibrille primarie e secondarie con diametri che vanno da micrometri a nanometri. Rispetto agli elettrodi lavorati a umido, gli elettrodi secchi hanno mostrato una minore resistenza alla diffusione ionica, una ritenzione di capacità leggermente migliorata (dopo 200 cicli a C/3) e prestazioni di velocità superiori (0,1–2C). Questi risultati evidenziano come la regolazione delle interazioni PTFE-materiale attivo possa influenzare in modo significativo la microstruttura e le prestazioni degli elettrodi.

Tao et al. hanno studiato come le variazioni della microstruttura influenzano la cinetica elettrochimica nei catodi NMC regolando la porosità tramite carichi di compressione (22%, 32% e 39%). Tuttavia, la compressione ha anche causato la frattura delle particelle NMC. Lo studio ha rilevato che la resistenza del foglio dell'elettrodo era ottimale a porosità intermedia: un'elevata porosità aumentava la resistenza a causa dell'eccessivo volume di vuoto, mentre una bassa porosità aumentava la resistenza dalla scarsa connettività elettronica tra le particelle fratturate. Anche la resistenza al trasferimento di carica ha raggiunto il suo minimo a porosità intermedia, suggerendo un equilibrio tra spazio vuoto sufficiente per il trasferimento di carica e struttura compatta per percorsi di diffusione degli ioni litio più brevi. L'elettrodo con porosità del 32% ha fornito le massime prestazioni di velocità, indicando un intervallo di porosità ottimale. Tuttavia, la frattura delle particelle sotto compressione ha rivelato dei limiti, in particolare per ottenere rivestimenti sottili di alta qualità e a bassa porosità. Sono necessari test di ciclaggio a lungo termine per valutare i potenziali effetti negativi della frattura delle particelle sotto alta compressione.

Oh et al. hanno contribuito con un'altra prospettiva esaminando come i materiali inerti influiscono sulle prestazioni degli elettrodi. Utilizzando un processo a secco con due tipi di PTFE di dimensioni medie delle particelle e densità di imballaggio simili, hanno osservato che i leganti con rapporti di estrusione più elevati si fibrillavano più facilmente, producendo una minore tortuosità e prestazioni elettrochimiche marginalmente migliori. Con un contenuto di PTFE del 2%, gli elettrodi con un carico di 10 mAh cm−2 hanno raggiunto l'80% della capacità di scarica a 0,5C.

Nonostante le sue promesse, la tecnologia DBE deve affrontare diversi ostacoli prima dell'adozione industriale su larga scala:

• Miscelazione uniforme dei materiali: Garantire una miscelazione a secco omogenea di materiali attivi, agenti conduttivi e leganti è fondamentale. L'agglomerazione o la stratificazione possono portare a una distribuzione non uniforme della resistenza, compromettendo le prestazioni della batteria.
• Selezione e dosaggio del legante: Gli elettrodi secchi richiedono leganti con una robusta adesione, tolleranza alle variazioni di volume durante il ciclo e stabilità strutturale. Il contenuto di legante deve essere preciso: troppo poco compromette la resistenza dell'elettrodo; troppo riduce la densità energetica.
• Ottimizzazione della compattazione: Il processo di compattazione degli elettrodi secchi influisce in modo critico sulla porosità, sulla densità e sulla conduttività elettronica. Ottimizzare questo passaggio per bilanciare resistenza e prestazioni rimane una sfida chiave.
• Sviluppo di attrezzature e processi: Le attuali linee di produzione di batterie agli ioni di litio sono progettate per processi a umido. È necessario sviluppare apparecchiature dedicate per la miscelazione, il rivestimento e la compattazione a secco.
• Controllo dei costi: Sebbene la tecnologia DBE possa ridurre i costi, l'implementazione pratica richiede un'attenta considerazione dei costi dei materiali, delle attrezzature, dell'energia e della manodopera per garantire la competitività economica.

Tuttavia, queste sfide sono eguagliate da significative opportunità:

• Costi di produzione inferiori: L'eliminazione dei solventi riduce i costi di approvvigionamento, recupero e smaltimento, riducendo al contempo il consumo di energia e semplificando i flussi di lavoro.
• Maggiore densità energetica: La riduzione del contenuto di legante consente rapporti più elevati di materiale attivo, aumentando la densità energetica.
• Vantaggi ambientali: La produzione senza solventi si allinea agli obiettivi di produzione ecologica.
• Maggiore efficienza: I processi semplificati riducono i cicli di produzione e migliorano la produttività.
• Opzioni di materiali ampliate: La lavorazione a secco consente l'uso di materiali sensibili ai solventi precedentemente incompatibili con i metodi a umido.

La tecnologia degli elettrodi secchi rappresenta un salto dirompente nella produzione di batterie agli ioni di litio con un immenso potenziale. Sebbene le sfide persistano, i continui progressi nelle formulazioni dei materiali, nella raffinazione dei processi e nell'innovazione delle apparecchiature posizionano DBE per svolgere un ruolo fondamentale nella riduzione dei costi, nel miglioramento della densità energetica e nel miglioramento della sostenibilità. Man mano che la ricerca si approfondisce e l'industrializzazione progredisce, la tecnologia DBE può emergere come il metodo di produzione dominante, promuovendo la rivoluzione dei veicoli elettrici e supportando la transizione energetica globale. Perfezionando i rapporti dei materiali, ottimizzando i processi e approfondendo la comprensione delle relazioni microstruttura-prestazioni, il settore può sbloccare il pieno potenziale di DBE, guidando la tecnologia delle batterie verso un futuro più pulito ed efficiente.