Nella progettazione delle batterie e nella selezione dei materiali, molti ingegneri preferiscono particelle di piccole dimensioni, soprattutto durante la fase di ricerca e sviluppo. Le particelle di piccole dimensioni offrono diversi vantaggi, ma comportano anche delle sfide. Più piccole sono le particelle, più difficile è la loro produzione, maggiore è il costo e peggiori sono le prestazioni di lavorazione. Spesso si preferisce una distribuzione granulometrica più uniforme. La riduzione delle dimensioni delle particelle (nano-dimensionamento) dei materiali per batterie al litio, in particolare dei materiali attivi, presenta vantaggi e svantaggi significativi che devono essere considerati in base alle specifiche esigenze applicative (come densità energetica, densità di potenza, ciclo di vita o costo). Di seguito è riportata un'analisi dettagliata di questi pro e contro.
I. Vantaggi
1. Riduce il percorso di diffusione degli ioni di litio
Le particelle di piccole dimensioni riducono la distanza di diffusione in fase solida degli ioni di litio all'interno delle particelle di materiale attivo (dalla superficie della particella al nucleo).
I vantaggi includono un miglioramento significativo delle prestazioni di carica e scarica (carica e scarica più rapide), una riduzione della polarizzazione ad alte velocità e un aumento della densità di potenza. Questo è fondamentale per le batterie di potenza e le applicazioni che richiedono capacità di carica/scarica rapide.
2. Aumenta la superficie specifica
Le particelle più piccole hanno una maggiore area superficiale per unità di massa o volume. Questo aumenta le interfacce elettrodo/elettrolita, accelerando il trasferimento di carica e migliorando le prestazioni di velocità. Un contatto più stretto contribuisce a creare una rete conduttiva elettronica più completa, riducendo la resistenza interna. Le nanoparticelle possono disperdere meglio lo stress da materiali con grandi variazioni di volume durante la carica/scarica (ad esempio, anodi di silicio), migliorando la stabilità del ciclo.
3. Migliora l'utilizzo teorico della capacità
I materiali con bassa conduttività ionica/elettronica intrinseca (ad esempio, il litio ferro fosfato (LFP)) possono avere reazioni incomplete all'interno di particelle più grandi. La nanodimensione avvicina il materiale alla piena partecipazione alle reazioni, consentendogli di raggiungere la sua capacità teorica.
II. Svantaggi
1. Reazioni collaterali intensificate a causa dell'elevata area superficiale
Un'ampia superficie specifica comporta un maggiore contatto con l'elettrolita, con conseguenti diversi problemi. Questi consumano più elettrolita e litio attivo, generando un film SEI (interfase elettrolitica solida) o CEI (interfase elettrolitica catodica) più spesso e instabile, riducendo l'efficienza di primo Coulomb e accelerando la degradazione del ciclo. Le reazioni collaterali possono produrre gas, con conseguente espansione della batteria, aumento della pressione interna e potenziali rischi per la sicurezza. Una maggiore superficie attiva può catalizzare la decomposizione dell'elettrolita, compromettendo la stabilità termica del materiale.
2. Riduzione della densità di compattazione e di presa
Le particelle piccole, in particolare le nanoparticelle, hanno una scarsa efficienza di impilamento e creano più spazi vuoti tra loro. Una minore densità di presa e una minore densità di compattazione riducono la densità di energia volumetrica della batteria. Questo rappresenta una sfida per le applicazioni che richiedono un'elevata densità di energia, come l'elettronica di consumo e i veicoli elettrici a lunga autonomia.
3. Prestazioni di elaborazione deteriorate
Le nanoparticelle ad elevata area superficiale tendono ad agglomerarsi, rendendo difficile la loro dispersione uniforme. Ciò comporta un'elevata viscosità della sospensione e una scarsa stabilità. Difficoltà nel rivestimento dell'elettrodo: l'elevata viscosità può rendere difficile l'uniformità del rivestimento, causando crepe e perdita di polvere. I micropori formati dalle nanoparticelle sono più piccoli e tortuosi, rendendo più difficile all'elettrolita infiltrarsi nell'intero elettrodo, compromettendone le prestazioni.
4. Costi significativamente aumentati
La produzione di nanomateriali (ad esempio, macinazione speciale, sintesi chimica, pirolisi a spruzzo) è più complessa, richiede più energia ed è meno scalabile, con conseguenti costi più elevati per le materie prime. Inoltre, i rigorosi processi di dispersione richiesti per questi materiali contribuiscono ad aumentare i costi di produzione.
5. Potenziale calo della conduttività elettronica
L'aumento dei punti di contatto tra le particelle (con aree di contatto più piccole) aumenta la resistenza al flusso di elettroni tra le particelle. Sebbene l'aggiunta di più agenti conduttivi possa compensare questo inconveniente, può ridurre ulteriormente la densità energetica e aumentare i costi.
III. Riepilogo delle considerazioni sulle dimensioni delle particelle
| Proprietà | Vantaggi | Svantaggi |
| Dimensioni ridotte delle particelle (su scala nanometrica) | Prestazioni ad altissima velocità (carica/scarica rapida) | Gravi reazioni collaterali interfacciali (bassa efficienza iniziale, breve durata, elevata produzione di gas) |
| Alta densità di potenza | Bassa densità di riempimento/tappatura (bassa densità di energia volumetrica) | |
| Utilizzo migliorato di materiali a bassa conduttività | Difficile dispersione della sospensione, problemi di rivestimento, scarsa bagnatura | |
| Ciclo di vita migliorato per materiali fragili (dispersione dello stress) | Costi elevati (materie prime e produzione) | |
| Rischio di fallimento dell'agglomerazione | ||
| Particelle di dimensioni maggiori (microscala) | Elevata densità di riempimento/tappatura (elevata densità di energia volumetrica) | Scarsa velocità di esecuzione (carica/scarica lenta) |
| Reazioni collaterali interfacciali minime (elevata efficienza iniziale, lunga durata) | Polarizzazione grave sotto alta corrente | |
| Buone prestazioni di lavorazione (facile dispersione, rivestimento liscio) | Basso utilizzo di materiali a bassa conduttività | |
| Costo relativamente più basso | Tendenza alla frattura per materiali con grandi variazioni di volume – Settore delle batterie al litio |
Ridurre le dimensioni delle particelle dei materiali per batterie al litio è un'arma a doppio taglio. Migliora significativamente le prestazioni energetiche e l'utilizzo del materiale, ma introduce anche sfide come problemi di interfaccia, perdita di densità di energia volumetrica, difficoltà di lavorazione e costi più elevati. I nanomateriali puri sono raramente utilizzati in applicazioni pratiche. Invece, strategie come la classificazione delle dimensioni delle particelle e l'ingegneria superficiale vengono impiegate per trovare il giusto equilibrio tra densità di energia, densità di potenza, ciclo di vita, sicurezza e costi. L'intervallo di dimensioni delle particelle ideale dipende dai requisiti specifici dell'applicazione della batteria.
Conclusione
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