La batteria auto-riscaldante

Batteria auto-riscaldante

Un team di ricerca del Penn State, l’università pubblica dello stato della Pennsylvania (USA), ha realizzato una batteria auto-riscaldante risolvendo il problema della perdita di energia a basse temperature della tradizionale batteria agli ioni di litio.

Per alcuni conducenti di auto elettriche – e potenziali acquirenti – la perdita di energia della batteria nei periodi freddi è una preoccupazione significativa. L’ansia da autonomia è già un ostacolo per molti guidatori e la perdita fino a un terzo della ricarica totale nella stagione fredda aggrava il problema. Per affrontare questa situazione, i ricercatori del Penn State stanno lavorando ad una batteria agli ioni di litio in grado di auto-riscaldarsi quando necessario. Essi affermano di aver creato una “batteria adatta a tutte le tipologie di clima” (ACB – all climate battery) che si può riscaldare a temperature inferiori ai 0 gradi Celsius (32 gradi Fahrenheit). Questo avviene di fatto senza dispositivi esterni o additivi elettrolitici, sostengono i ricercatori stessi in un articolo pubblicato sulla rivista Nature.

La batteria ACB nella sua forma attuale, può riscaldarsi da -20 a 0 gradi Celsius (da -4 gradi a 32 gradi Fahrenheit) in 20 secondi, e da -30 a 0 gradi Celsius (da -22 a 32 gradi Fahrenheit) in circa 30 secondi. I cicli di riscaldamento consumano il 3,8 per cento di energia per passare da -20 a 0 gradi e il 5,5 per cento da -30 a 0 gradi. Il gruppo di ricerca spera di ridurre il tempo di riscaldamento di una batteria da -20 a 0 gradi Celsius a soli 5 secondi entro il 2017 e di ridurre anche il consumo energetico di tutto il processo.

La batteria utilizza una sottilissimo foglio di nickel, con una estremità collegata al polo negativo, e l’altra che si estende all’esterno della cella per creare un terzo terminale. Un termometro collegato a un interruttore fa in modo che gli elettroni passino attraverso questa pellicola completando un circuito.

In questo modo il foglio viene riscaldato velocemente e il calore viene trasmesso all’elemento della batteria. Una volta che è sufficientemente riscaldato, l’interruttore si spegne, e il flusso di elettroni viene reindirizzato nella modalità normale. Il motivo principale per cui è stato scelto il nickel come elemento riscaldante è che esso è un materiale a basso costo. La batteria auto-riscaldante è stata sviluppata per pesare solo l’1,5 per cento in più di una batteria di serie agli ioni di litio, con un aumento dello 0,04 per cento in termini di costi.

Dato che solo una piccola frazione dell’energia della batteria viene utilizzata per l’auto-riscaldamento, la batteria ACB auto-riscaldante potrebbe rivelarsi utile, oltre che per le auto elettriche, anche per i droni ad alta quota, la robotica e l’esplorazione dello spazio.

I ricercatori hanno calcolato, ad esempio, che l’impiego della batteria ACB potrebbe consentire alla tecnologia del motore start – stop di salvare il 5-10% del combustibile per 80 milioni di nuovi veicoli prodotti ogni anno.

Gli autori principali del lavoro sono stati Chao-Yang Wang e William E. Diefenderfer, professori del Penn State, coadiuvati dai ricercatori del loro team.

Le batterie al litio subiscono una pesante perdita di potenza a temperature inferiori allo zero gradi Celsius, limitando il loro utilizzo in applicazioni come le auto elettriche durante le stagioni fredde e i droni ad alta quota. Le conseguenze pratiche di una tale perdita di potenza sono la difficoltà per le grandi e costose batterie di eseguire l’avviamento del motore freddo, una lenta ricarica durante i periodi freddi, la frenata rigenerativa limitata e la riduzione dei veicoli in circolazione di ben il 40%. I precedenti tentativi per migliorare le prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio si sono concentrati sullo sviluppo di additivi elettrolitici, sul riscaldamento dall’esterno e l’isolamento le celle.

Wang et al.

Vorremmo estendere in seguito il lavoro allo studio di un nuovo paradigma chiamato Smart Battery. Pensiamo di poter utilizzare strutture o principi simili per la sicurezza, le prestazioni e la durata della batteria.

Chao-Yang Wang

 

Risorse

• Chao-Yang Wang, Guangsheng Zhang, Shanhai Ge, Terrence Xu, Yan Ji, Xiao-Guang Yang & Yongjun Leng (2016) “Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures” Nature doi: 10.1038/nature16502

 

Alla prossima,

Team GAA