I ricercatori dellaUniversità tecnica di Monaco(TUM) eUniversità RWTH di Aquisgranain Germania hanno confrontato le prestazioni elettriche delle batterie agli ioni di sodio ad alta energia (SIB) con quelle di una batteria agli ioni di litio ad alta energia (LIB) all'avanguardia con un catodo al litio-ferro-fosfato (LFP).

Il team ha scoperto che lo stato di carica e la temperatura hanno un'influenza maggiore sulla resistenza agli impulsi e sull'impedenza delle batterie agli ioni di litio rispetto alle batterie agli ioni di litio, il che potrebbe influenzare le scelte di progettazione e suggerisce che le batterie agli ioni di litio potrebbero richiedere sistemi di gestione della temperatura e della carica più sofisticati per ottimizzare le prestazioni, soprattutto a livelli di carica più bassi.

• Per spiegare meglio la resistenza agli impulsi: il termine si riferisce alla diminuzione della tensione di una batteria quando viene applicata una richiesta di potenza improvvisa. Pertanto, la ricerca indica che le batterie agli ioni di sodio sono maggiormente influenzate dal livello di carica e dalla temperatura rispetto alle batterie agli ioni di litio.

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"Le batterie agli ioni di sodio [SIB] sono generalmente considerate un sostituto ideale delle batterie agli ioni di litio", hanno affermato gli scienziati. "Tuttavia, le differenze nel comportamento elettrochimico del sodio e del litio richiedono adattamenti sia all'anodo che al catodo. Mentre per le batterie agli ioni di litio [LIB] si utilizza solitamente la grafite come materiale anodico, per le batterie agli ioni di sodio il carbonio duro è attualmente considerato il materiale più promettente."

Hanno anche spiegato che il loro lavoro aveva lo scopo di colmare una lacuna nella ricerca, poiché mancano ancora conoscenze sul comportamento elettrico dei SIB in termini di temperature variabili e stato di carica (SOC).

Il team di ricerca ha effettuato, in particolare, misurazioni delle prestazioni elettriche a temperature comprese tra 10 °C e 45 °C e misurazioni della tensione a circuito aperto dell'intera cella a diverse temperature, nonché misurazioni della semicella delle celle corrispondenti a 25 °C.

"Inoltre, abbiamo studiato l'influenza della temperatura e dello stato di carica (SOC) sia sulla resistenza in corrente continua (R DC) che sulla spettroscopia di impedenza elettrochimica galvanostatica (GEIS)", ha specificato. "Per esaminare la capacità utilizzabile, l'energia utilizzabile e l'efficienza energetica in condizioni dinamiche, abbiamo eseguito test di rate capacity applicando diverse velocità di carico a diverse temperature".

I ricercatori hanno misurato una batteria agli ioni di litio, una batteria agli ioni di sodio con catodo in nichel-manganese-ferro e una batteria agli ioni di litio con catodo LFP. Tutte e tre hanno mostrato isteresi di tensione, ovvero la loro tensione a circuito aperto differiva tra carica e scarica.

"È interessante notare che, per le batterie SIB, l'isteresi si verifica principalmente a bassi livelli di SOC, il che, secondo le misurazioni delle semicelle, è probabilmente dovuto all'anodo di carbonio duro", hanno sottolineato gli accademici. "La RDC e l'impedenza della batteria di riserva mostrano una dipendenza molto ridotta dal SOC. Al contrario, per le batterie SIB, la RDC e l'impedenza aumentano significativamente a livelli di SOC inferiori al 30%, mentre livelli di SOC più elevati hanno l'effetto opposto e portano a valori di RDC e impedenza inferiori."

Inoltre, hanno accertato che la dipendenza dalla temperatura di R_DC e dell'impedenza è maggiore per le batterie SIB rispetto alle batterie LIB. "I test sulle batterie LIB non mostrano un'influenza significativa dello stato di carica (SOC) sull'efficienza di andata e ritorno. Al contrario, ciclare le batterie SIB dal 50% al 100% di SOC può ridurre le perdite di efficienza di oltre la metà rispetto a ciclare dallo 0% al 50%", hanno spiegato ulteriormente, osservando che l'efficienza delle batterie SIB aumenta drasticamente quando si ciclano le celle in un intervallo di SOC più elevato rispetto a un intervallo di SOC più basso.