Modellare le batterie agli ioni di litio di prossima generazione
Le batterie sono portatili, hanno un’elevata efficienza di conversione e non hanno emissioni gassose. Esse sono particolarmente promettenti per due delle più importanti applicazioni dello stoccaggio dell’energia: i veicoli elettrici e la tecnologia delle reti intelligenti. Le batterie agli ioni di litio hanno la più elevata densità energetica di stoccaggio di qualsiasi tecnologia di batteria ricaricabile. Per consentire le applicazioni su larga scala immaginate, gli elettrodi compositi di litio potrebbero essere la risposta grazie alle loro eccezionali capacità specifiche. Tuttavia, ampie espansioni-contrazioni durante il ciclo di carica-scarica possono portare velocemente a dei guasti. Attualmente, i fabbricanti di batterie Li-ion in Asia e negli Stati Uniti possiedono un chiaro vantaggio competitivo rispetto a quelli nell’UE. Gli scienziati hanno sviluppato dei modelli teorici e computazionali dei materiali e dei processi su scale multiple per aiutare a risolvere questo problema grazie al finanziamento dell’UE al progetto LISF (Mechanics of energy storage materials: Swelling and fracturing in lithium ion batteries electrodes during charging/discharging cycles). I ricercatori hanno fatto progredire dei metodi di omogeneizzazione computazionale all’avanguardia che mescolano fenomeni microscopici e macroscopici usando una strategia multiscala con un volume rappresentativo di unità multiparticella (elemento rappresentativo di volume (RVE)). Gli algoritmi migliorati trattano correttamente l’elettroneutralità come una supposizione piuttosto che come una legge fondamentale e sfruttano pienamente le equazioni di Maxwell che descrivono elettricità e magnetismo. La separazione di scala viene trattata attentamente, con un’enfasi speciale sulla separazione della scala temporale, che non era mai stata inclusa prima in questi modelli. La supposizione dello stato stazionario della massa e del trasporto di carica su micro scala è stata eliminata e sono state introdotte transizioni di scala dipendenti dal tempo. Infine, la condizione di Hill-Mandel che controlla la separazione delle scale, la seconda principale componente di un’ipotesi del continuo oltre al RVE, è stata estesa. La simulazione del trasporto ionico 1D nell’elettrolita di una batteria Li-ion ha riprodotto perfettamente i dati presenti in letteratura. Meglio ancora, questo risultato è stato ottenuto senza le contraddizioni teoriche create in altri approcci grazie all’integrazione delle equazioni di Maxwell. L’analisi del comportamento microstrutturale 2D di un separatore multifase ha ulteriormente convalidato l’esame dei meccanismi microscopici. I risultati sono stati presentati in numerose pubblicazioni. Si è mostrato che le prestazioni elettrochimiche e meccaniche delle batterie al litio sono fortemente dipendenti dall’interazione tra fenomeni su macro e micro scala. I risultati dovrebbero avere un impatto importante sui progetti delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione, dando inizio a una nuova era di elettricità wireless e sostenibile e a una nuova era per i fabbricanti di batterie dell’UE.
