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Il comportamento termico come chiave per le prestazioni delle batterie
Lo sviluppo di batterie efficienti e durature richiede una comprensione dettagliata delle proprietà termofisiche dei componenti delle celle. In particolare, nella caratterizzazione del litio ferro fosfato (LFP), dell’ossido di nichel manganese cobalto (NMC) e degli elettroliti solidi, la misurazione precisa dei parametri termici è fondamentale per comprendere e controllare i meccanismi di invecchiamento e le perdite di efficienza durante i cicli di carica e scarica. Il
Il metodo del ponte caldo transitorio: superiorità tecnica
Il THB -migliora l’accuratezza della misurazione delle proprietà termiche dei componenti delle celle a diversi livelli e offre vantaggi decisivi rispetto a metodi più vecchi come il metodo della striscia calda transitoria (THS) o il classico metodo del filo riscaldante. Essendo un metodo di misurazione assoluto, non richiede alcuna calibrazione o misurazione di riferimento aggiuntiva, eliminando così gli errori sistematici dovuti alle deviazioni di riferimento (Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
Design tecnico e principio di misurazione
Il sensore del metodo THB è realizzato come un circuito stampato in nichel tra due fogli di poliimmide. Il layout consiste in quattro strisce riscaldanti disposte in parallelo e collegate a formare un ponte di Wheatstone. A temperatura costante, il ponte è intrinsecamente bilanciato, quindi non è necessaria alcuna calibrazione.
Un vantaggio particolarmente importante del THB è la compensazione degli effetti dei bordi. Mentre i metodi tradizionali di riscaldamento a filo sono influenzati dalle perdite di calore attraverso le connessioni o le aree dei bordi, questi effetti dei bordi vengono misurati con il metodo di misurazione THB e possono quindi essere dedotti dal risultato.
Il metodo copre un’ampia gamma di misure di conducibilità termica da 0,01 a 1000 W/(m*K) e soddisfa gli standard internazionali quali ASTM D5930 , ASTM D7896-19 e ISO 22007-2 che garantisce la comparabilità e la garanzia di qualità. I tempi di misurazione brevi, spesso inferiori a un minuto, sono particolarmente vantaggiosi.
Parametri termofisici critici per le celle delle batterie
Diversi parametri termofisici sono di importanza decisiva per l’invecchiamento e l’efficienza delle celle NMC e LFP durante i cicli di carica e scarica:
La conducibilità termica determina l’efficienza con cui il calore può essere dissipato all’interno della cella. Un’elevata conduttività termica garantisce una distribuzione uniforme della temperatura e previene i punti caldi, che possono causare alte temperature localizzate e quindi un invecchiamento accelerato. Marconnet et al. (2024) dimostrano che la diminuzione della conduttività termica dovuta all’invecchiamento riduce direttamente le prestazioni e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio, in alcuni casi fino al 75% dopo lunghi carichi ad alta temperatura e diverse migliaia di cicli.
La capacità termica specifica definisce la quantità di calore che un componente della cella può assorbire fino a quando la temperatura non aumenta. I materiali con un’elevata capacità termica assorbono meglio le fluttuazioni di temperatura e possono quindi ridurre i danni alle celle durante i processi di carica/scarica rapida. La capacità termica specifica può cambiare a causa dell’invecchiamento e dell’affaticamento del materiale e quindi influenza i profili di temperatura durante il ciclo.
La diffusività termica indica la velocità con cui le variazioni di temperatura si diffondono nel materiale. Una bassa diffusività termica porta a zone con variazioni di temperatura inerziali all’interno della cella, particolarmente critiche in presenza di tassi di C elevati, poiché in questi casi si possono formare pericolosi gradienti di temperatura che favoriscono un invecchiamento localmente accelerato.
Esempi di applicazione pratica
Caratterizzazione del materiale anodico
Un esempio di applicazione specifica è la misurazione della conducibilità termica del materiale anodico applicato a un sottile collettore di corrente in rame. Queste misurazioni sono importanti per lo sviluppo, l’ottimizzazione e la progettazione dei sistemi di gestione termica delle batterie. Il metodo THB permette di caratterizzare sia il rivestimento che il materiale del substrato nella loro interezza.
Controllo qualità nella produzione di batterie
Nella produzione industriale di batterie, il metodo THB viene utilizzato per il controllo continuo della qualità delle materie prime.
Sviluppo di nuovi materiali per elettrodi
Il metodo fornisce risultati per solidi e liquidi, nonché per polveri e paste, con un’elevata precisione di misurazione, il che lo rende particolarmente prezioso per lo sviluppo di materiali elettrodici innovativi.
Considerazioni specifiche sui materiali ed effetti dell'invecchiamento
Le celle LFP sono note per la loro stabilità chimica e la moderata dipendenza dalla temperatura, ma i danni microstrutturali all’elettrodo dovuti al carico ciclico possono deteriorare significativamente la conducibilità termica e la capacità di calore. Le celle NMC spesso mostrano una maggiore dipendenza dalla temperatura e dall’invecchiamento nelle loro proprietà termiche, il che pone maggiori esigenze di gestione termica e caratterizzazione dei materiali (Ali et al., 2023).
Gli elettroliti solidi offrono il potenziale per una maggiore sicurezza, ma la loro conducibilità termica intrinseca, a volte bassa, pone nuove sfide per l’omogeneità della temperatura e richiede metodi di misurazione particolarmente precisi e spazialmente risolti come il THB. Steinhardt et al. (2022) confermano sperimentalmente che forti aumenti e gradienti di temperatura hanno un impatto negativo sia sull’invecchiamento che sulle prestazioni delle celle.
Confronto tra metodi: THB e metodi consolidati
Confronto con l'analisi laser flash (LFA)
Il metodo di misurazione THB fornisce la conducibilità termica, la diffusività termica e, se la densità è nota, la capacità termica specifica. Con il
Il vantaggio della LFA è l’ampio intervallo di temperature da -150 a 2800°C che può essere coperto. Il THB può essere utilizzato per temperature comprese tra -150 e 700°C.
Vantaggi rispetto ai metodi tradizionali a filo caldo
I metodi tradizionali a filo caldo risentono degli effetti dei bordi e delle influenze dei cavi che possono portare a errori di misurazione sistematici. Il THB elimina questi problemi grazie a:
- La misurazione e la compensazione degli effetti di contorno porta a precisioni significativamente più elevate
- La configurazione a ponte semplifica notevolmente la calibrazione e il funzionamento del dispositivo di misurazione
Vantaggi rispetto ai metodi tradizionali a filo caldo
I metodi tradizionali a filo caldo risentono degli effetti dei bordi e delle influenze dei cavi che possono portare a errori di misurazione sistematici. Il THB elimina questi problemi grazie a:
- La misurazione e la compensazione degli effetti di contorno porta a precisioni significativamente più elevate
- La configurazione a ponte semplifica notevolmente la calibrazione e il funzionamento del dispositivo di misurazione
Importanza per la sicurezza delle batterie
La caratterizzazione precisa delle proprietà termofisiche è fondamentale per valutare la sicurezza delle batterie. Le autorità di regolamentazione richiedono sempre più spesso modelli termici dettagliati per prevedere il comportamento in condizioni di abuso. Il metodo THB, conforme agli standard, fornisce i dati di base necessari per queste valutazioni di sicurezza e contribuisce all’approvazione dei prodotti a batteria.
Conclusioni per la ricerca e lo sviluppo
Il metodo Transient Hot Bridge massimizza l’accuratezza della registrazione delle proprietà termiche dei componenti delle celle grazie alla misurazione senza calibrazione e con compensazione dell’effetto limite, alla grande flessibilità dei materiali e ai tempi di misurazione ridotti. Solo grazie a misurazioni precise e riproducibili di tutti i parametri termofisici rilevanti è possibile valutare efficacemente i materiali delle celle, sviluppare nuovi progetti e garantire gli standard di qualità attuali. Per la caratterizzazione e l’ottimizzazione dei moderni materiali per batterie – dagli elettrodi ai separatori, fino agli elettroliti solidi – è quindi uno strumento indispensabile in laboratorio e offre la massima precisione e flessibilità applicativa proprio per le esigenze della ricerca e dello sviluppo delle batterie moderne.
Bibliografia
Ali, H. et al. (2023). “Valutazione del calendario di invecchiamento delle batterie agli ioni di litio per applicazioni su veicoli elettrici”. Frontiers in Energy Research:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2023.1152637/fullMarconnet, A. et al. (2024). “Impatto dell’invecchiamento sulle proprietà termofisiche degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio”. Journal of Power Sources:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324003636Hammerschmidt, U. “Ponte caldo transitorio”. Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig:
https://www.ptb.de/cms/de/ptb/fachabteilungen/abt01/fb-11/ag-113/waermetransport-in-festkoerpern/transient-hot-bridge-messverfahren.htmlSteinhardt, M. et al. (2022). “Indagine sperimentale sulla conducibilità termica dei componenti delle batterie agli ioni di litio” (Open-Access Preprint on arXiv):
https://arxiv.org/abs/2203.12535
