Dottoranda cinese pronta a risolvere i rischi di incendio ed esplosione delle batterie al litio

Le batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici possono prendere fuoco o esplodere se cortocircuitate, ponendo notevoli rischi per la sicurezza. Cinque anni fa, come studente di master presso la Wuhan University of Technology, il dottor Lun Li ha iniziato a esplorare soluzioni a questo problema. Ora, come ricercatrice post-dottorato presso la stessa istituzione, ha fatto una scoperta rivoluzionaria. La sua ricerca è stata pubblicata nell‘ultimo numero di Nature Chemical Engineering.

Sotto la guida del professor He Daping della Scuola di Fisica e Meccanica dell‘Università di Tecnologia di Wuhan, questo brevetto di ricerca è stato tradotto con successo nell‘industrializzazione. Un‘azienda ha investito 30 milioni di yen per aumentare la produzione. Il team di ricerca ha fondato Hainan Zhangyu Technology Co., Ltd. per continuare a convalidare la tecnologia, con l‘intenzione di implementarla presto se si dimostrerà fattibile.

Una svolta da un esperimento inaspettato

Le batterie agli ioni di litio sono soggette a incendi ed esplosioni perché il calore che generano non può dissiparsi abbastanza rapidamente, portando a un accumulo che innesca una serie di reazioni esotermiche e, in ultima analisi, una fuga termica. Il controllo della generazione di calore interno e il miglioramento del trasferimento di calore sono fondamentali per prevenire questo problema.

Nel 2020, durante un esperimento, il dottor Li ha smontato una batteria che aveva preso fuoco ed era esplosa, scoprendo che il collettore di corrente metallica dell‘elettrodo positivo era stato quasi completamente bruciato. Questi collettori sono tipicamente realizzati in alluminio o rame.

"Questo ha suggerito un possibile legame tra i collettori di corrente metallica e la fuga termica", ha condiviso il dottor Li con i professori He Daping e Mai Liqiang. Insieme, hanno riflettuto sulla possibilità che un materiale ignifugo potesse sostituire i collettori di corrente in metallo. Un tale materiale dovrebbe avere un‘elevata conduttività termica, un‘eccellente resistenza alla fiamma e una densità sufficiente per evitare di aumentare le dimensioni della batteria.

La loro attenzione si è rivolta al grafene, un materiale bidimensionale unico. Il dottor Li ha testato la sua resistenza alla fiamma tenendolo sopra una lampada ad alcool per mezz‘ora, sorprendentemente, è rimasto intatto. Questo risultato inaspettato stupì i suoi compagni di laboratorio.

"Abbiamo proposto di utilizzare collettori di corrente di grafene ad alta conducibilità termica per sostituire quelli tradizionali in metallo, migliorando significativamente la sicurezza della batteria", ha affermato il dottor Li. Il suo lavoro ha ricevuto anche la guida del professore associato Yang Jinlong presso l‘Università di Shenzhen.

Due volte la forgiatura dei collettori di corrente del grafene ad alte temperature

Tuttavia, l‘utilizzo del grafene come collettore di corrente richiede il raggiungimento di una resistenza meccanica e di una sottigliezza sufficienti, almeno 10-20 micrometri, pur mantenendo una buona conduttività.

La mattina del 16, un giornalista del Changjiang Daily ha visitato il laboratorio di sintesi di pellicole di grafene presso la Wuhan University of Technology. Il Dr. Li ha presentato un rotolo di lamina metallica, spiegando: "Questo è un collettore di corrente in alluminio, comunemente usato negli elettrodi positivi delle batterie agli ioni di litio. Il rame è anche usato come collettore di corrente metallica". Ha poi mostrato un rotolo di materiale non metallico, dicendo: "Questo è il nostro collettore di corrente di grafene, prodotto in serie presso Wuhan Hanci Technology Co., Ltd".

Il giornalista ha osservato che il collettore di corrente del grafene era sottile come le ali di una cicala. Il Dr. Li lo piegò ripetutamente senza causare alcuna deformazione. "Ha uno spessore di soli 10 micrometri e non compaiono crepe al microscopio, indipendentemente dal numero di pieghe. Nonostante il suo aspetto delicato, è stato sottoposto a due cicli di forgiatura ad alta temperatura, proprio come forgiare il mitico Sun Wukong nella fornace di Laozi.

Il Dr. Li ha indicato due forni di grafitizzazione ad alta temperatura in laboratorio, spiegando che il materiale grezzo di grafene subisce due trattamenti ad alta temperatura per forgiare il materiale finale del collettore di corrente di grafene.

Un investimento di 30 milioni di yen per la convalida della produzione

Una volta sviluppato il materiale del collettore di corrente del grafene, è stato inviato al laboratorio di nanotecnologia della Wuhan University of Technology per la caratterizzazione strutturale e i test di sicurezza. Il team ha quindi fabbricato batterie soft-pack con il materiale, conducendo una serie di test delle prestazioni elettrochimiche.

Il giornalista ha osservato che il laboratorio di nanotecnologia ospitava non solo batterie agli ioni di litio, ma anche batterie agli ioni di sodio, batterie agli ioni di potassio e altri tipi di batterie sottoposte a test elettrochimici.

La dottoressa Li ha condiviso che le sue batterie agli ioni di litio sono state testate anche presso l‘Istituto di ricerca sulla fisica ad alta temperatura e alta pressione presso la Wuhan University of Technology. Discute spesso i dati sperimentali con il professore associato Yang Jinlong dell‘Università di Shenzhen, analizzando i risultati e pianificando i prossimi passi della sua ricerca.

"Negli ultimi anni, ho viaggiato spesso tra il laboratorio di sintesi di film di grafene, il laboratorio di nanotecnologia e l‘Istituto di ricerca sulla fisica ad alta temperatura e alta pressione. Ma non mi sento stanco: finché riesco a ottenere risultati, mi sento realizzato", ha detto il dottor Li, che ha portato avanti questa ricerca per cinque anni. Anche dopo la fine del suo mandato post-dottorato il prossimo anno, ha in programma di continuare ad approfondire questa ricerca.

Il Dr. Li ha rivelato che un‘azienda ha già investito 30 milioni di yen per aumentare la produzione e, se la convalida avrà successo, la tecnologia sarà presto implementata.