Blog circa Punti salienti dello studio sull'impatto della calandratura degli elettrodi sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio

Immagina un piccolo elettrodo di batteria agli ioni di litio sottoposto a una calandratura precisa: quali trasformazioni microscopiche si verificano e come influenzano la densità di energia, la densità di potenza e la durata del ciclo? La calandratura degli elettrodi, una fase critica della produzione, adatta le prestazioni della batteria perfezionando le proprietà microstrutturali. Questo articolo esplora la modellazione, i principi scientifici e le strategie di ottimizzazione alla base di questo processo.

La calandratura prevede la compressione dei materiali degli elettrodi tra rulli rotanti per ottenere densità e finitura superficiale uniformi. Solitamente eseguito al di sopra della temperatura di transizione vetrosa del legante, questo processo riduce al minimo lo stress residuo omogeneizzando la distribuzione del materiale. Sebbene meccanicamente semplice, governa le interazioni complesse tra particelle, leganti e additivi conduttivi.

I ricercatori spesso modellano gli elettrodi come materiali omogenei compressi da rulli sotto carico lineare (q_l), definita come la forza applicata (F_N) moltiplicato per la larghezza del rivestimento (ω_C). La zona di contatto (A_Γ) tra i rulli dipende dal loro raggio (r_R), dimensioni dell'elettrodo e larghezza dello spazio (δ_Γ). Tempi di permanenza più lunghi nello spazio tra i rulli favoriscono la riorganizzazione delle particelle, riducono lo stress di taglio e migliorano l'uniformità della compattazione.

Dopo la compressione, il recupero elastico avviene al diminuire del carico. Il rapporto di compattazione (Π) quantifica la riduzione di spessore, dove Π = 1 – (δ_{E, a}/δ_E,iniziale). Questa metrica riflette l'equilibrio tra deformazione plastica (irreversibile) e rimbalzo elastico.

La calandratura altera principalmente tre proprietà dell'elettrodo (spessore, porosità e tortuosità), ciascuna con effetti a cascata sulle prestazioni:

Elettrodi più spessi aumentano il carico di materiale attivo ma estendono i percorsi di trasporto degli ioni, aumentando la resistenza ohmica. Sebbene sia vantaggioso per la densità energetica, questo compromesso riduce la densità di potenza e la capacità di velocità elevata. Gli elettrodi sottili, al contrario, migliorano l'integrità meccanica e la durata del ciclo riducendo al minimo i rischi di delaminazione.

Gli elettrodi commerciali in genere mirano a una porosità pari a circa il 30% per bilanciare la conduttività ionica e il contatto elettronico. Una maggiore porosità migliora la bagnabilità dell'elettrolita ma rischia di distribuire la corrente in modo non uniforme e di accelerare l'invecchiamento. La bassa porosità migliora la capacità di velocità formando reti conduttive continue, sebbene un'eccessiva compattazione possa impedire il trasporto degli ioni.

Il contenuto di legante influenza in modo significativo la porosità: concentrazioni più elevate di legante riducono il rimbalzo elastico, producendo strutture più dense. Anche la temperatura gioca un ruolo: temperature elevate ammorbidiscono i leganti, migliorando la conduttività attraverso contatti migliorati delle particelle.

Pori e particelle più piccoli riducono la tortuosità, facilitando il flusso di ioni. Tuttavia, i materiali attivi su scala nanometrica, pur migliorando le prestazioni di velocità, possono esacerbare le reazioni collaterali. I catodi traggono maggiori benefici dalla calandratura rispetto agli anodi a causa della loro conduttività intrinsecamente inferiore; la compattazione rafforza i contatti delle particelle senza compromettere l'energia elastica.

Una compressione eccessiva rischia il collasso dei pori, ostacolando la diffusione degli ioni e la bagnatura degli elettroliti. Ciò può ridurre la capacità di velocità, aumentare la polarizzazione e compromettere la sicurezza. Le strutture dense impediscono inoltre la formazione del SEI e promuovono lo stress meccanico, causando potenzialmente microfessure e affaticamento del legante nel corso dei cicli.

L'ottimizzazione della calandratura richiede il bilanciamento dei fattori meccanici ed elettrochimici all'interno di finestre di parametri ristrette. Sono necessarie tecniche di modellazione avanzate e studi specifici sui materiali per mitigare il degrado indotto dallo stress massimizzando al tempo stesso le prestazioni. La ricerca futura potrebbe esplorare nuovi parametri di processo e risposte eterogenee dei materiali per perfezionare questa fondamentale fase di produzione.