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Le batterie ricaricabili sono ottime per immagazzinare energia e alimentare i dispositivi elettronici, dagli smartphone ai veicoli elettrici.In ambienti freddi, tuttavia, può essere più difficile caricarli e potrebbero persino prendere fuoco.
Sono un professore di ingegneria meccanica interessato alle batterie fin dai tempi del college.Ora conduco a gruppo di ricerca sulle batterie all'Università di Drexel.
Proprio negli ultimi dieci anni, ho guardato il il prezzo delle batterie agli ioni di litio scende come mercato della produzione è diventato molto più grande.Le proiezioni future prevedono che il mercato potrebbe raggiungere migliaia di GWh all’anno entro il 2030, un aumento significativo.
Ma le batterie agli ioni di litio non sono perfette: questo aumento comporta dei rischi, come la loro tendenza a rallentare durante la stagione fredda e persino a prendere fuoco.
Dietro la batteria agli ioni di litio
IL accumulo di energia elettrochimica all'interno delle batterie funziona immagazzinando elettricità sotto forma di ioni.Gli ioni sono atomi che hanno una carica diversa da zero perché hanno troppi o non abbastanza elettroni.
Quando colleghi la tua auto elettrica o il tuo telefono, l'elettricità fornita dalla presa guida questi ioni dall'elettrodo positivo della batteria al suo elettrodo negativo.Gli elettrodi sono materiali solidi in una batteria che possono immagazzinare ioni e tutte le batterie hanno sia un elettrodo positivo che uno negativo.
Gli elettroni passano attraverso la batteria sotto forma di elettricità.Con ogni elettrone che passa a un elettrodo, anche uno ione litio passa nello stesso elettrodo.Ciò garantisce l'equilibrio delle cariche nella batteria.Mentre guidi la tua auto, gli ioni immagazzinati nell'elettrodo negativo tornano all'elettrodo positivo e il flusso di elettricità risultante alimenta il motore.
Sebbene le batterie AA o AAA possano alimentare piccoli dispositivi elettronici, possono essere utilizzate solo una volta e non possono essere caricate.Le batterie ricaricabili agli ioni di litio possono funzionare per migliaia di cicli di carica e scarica completa.Per ogni ciclo possono inoltre immagazzinare una quantità di carica molto maggiore rispetto a una batteria AA o AAA.
Poiché il litio è il metallo più leggero, ha un livello elevato capacità specifica, il che significa che può memorizzare a quantità enorme di carica per peso.Questo è il motivo per cui le batterie agli ioni di litio sono utili non solo per i dispositivi elettronici portatili, ma anche per alimentare mezzi di trasporto con peso o volume limitati, come le auto elettriche.
La batteria si incendia
Tuttavia, le batterie agli ioni di litio presentano rischi che le batterie AA o AAA non presentano.Per prima cosa, è più probabile che prendano fuoco.Ad esempio, il numero di la batteria della bici elettrica si incendia segnalati a New York City sono aumentati da 30 a quasi 300 negli ultimi cinque anni.
Molti problemi diversi possono causare un incendio della batteria.Le celle prodotte in modo inadeguato potrebbero contenere difetti, come tracce di impurità o particelle lasciate dal processo di produzione, che aumentano il rischio di un guasto interno.
Anche il clima può influenzare il funzionamento della batteria. Vendita di veicoli elettrici sono aumentati negli Stati Uniti, in particolare nelle regioni fredde come il Nordest e il Midwest, dove le temperature gelide possono ostacolare le prestazioni della batteria.
Le batterie contengono fluidi chiamati elettroliti e le temperature fredde fanno sì che i fluidi scorrano più lentamente.Pertanto, gli elettroliti nelle batterie rallentano e si addensano con il freddo, facendo sì che gli ioni di litio all'interno si muovano più lentamente.Questo rallentamento può impedire il corretto inserimento degli ioni di litio negli elettrodi.Invece, potrebbero depositarsi sulla superficie dell'elettrodo e formarsi litio metallico.
Se una quantità eccessiva di litio si deposita sulla superficie dell'elettrodo durante la ricarica, potrebbe causare un cortocircuito interno.Questo processo può avviare un incendio della batteria.
Realizzare batterie più sicure
Il mio gruppo di ricerca, insieme a molti altri, sta studiando come realizzare batterie che funzionino in modo più efficiente al freddo.
Ad esempio, i ricercatori stanno valutando la possibilità di sostituire il normale elettrolito della batteria con un elettrolito alternativo che non si addensa alle basse temperature.Un'altra potenziale opzione è riscaldamento del pacco batteria prima della ricarica in modo che il processo di ricarica avvenga a una temperatura più calda.
Il mio gruppo sta anche studiando nuovi tipi di batterie oltre agli ioni di litio.Potrebbero essere tipi di batterie più stabili a intervalli di temperatura più ampi, tipi che non utilizzano nemmeno elettroliti liquidi o batterie che utilizzano sodio anziché litio. Batterie agli ioni di sodio potrebbe funzionare bene e costare meno, poiché il sodio è una risorsa molto abbondante.
Batterie allo stato solido utilizzare elettroliti solidi che non sono infiammabili, il che riduce il rischio di incendio.Ma queste batterie non funzionano altrettanto bene delle batterie agli ioni di litio, quindi saranno necessarie ulteriori ricerche per dire se sono una buona opzione.
Le batterie agli ioni di litio alimentano le tecnologie che le persone in tutto il Paese utilizzano ogni giorno e la ricerca in queste aree mira a trovare soluzioni che renderanno questa tecnologia ancora più sicura per il consumatore.