08.05.2023 by Aileen Sammler
L'importanza delle materie plastiche per la funzione di accumulo di energia delle batterie
Le materie plastiche sono state ampiamente utilizzate nel settore automobilistico per decenni e sono sempre più impiegate anche nelle batterie: Fin dall'inizio sono state utilizzate come involucri, cavi e connettori, ma con il loro crescente utilizzo nell'immagazzinamento dell'energia, sono ora un elemento cruciale per l'ascesa della mobilità elettrica.
Il ruolo della plastica nell'accumulo di energia
I materiali e i principi costruttivi utilizzati nelle batterie determinano principalmente la loro funzione di accumulo di energia. Le materie plastiche svolgono un ruolo importante, anche se non possono essere utilizzate direttamente come conduttori elettrici. Vengono utilizzate nella costruzione delle batterie come isolanti, materiali di separazione, alloggiamenti e membrane elettrolitiche, contribuendo ad aumentare la stabilità chimica e la durata della batteria, oltre a garantire prestazioni sicure ed efficienti.
Un esempio sono le batterie agli ioni di litio, utilizzate in numerose applicazioni come smartphone, computer portatili, veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia. I catodi e gli anodi delle batterie agli ioni di litio sono spesso rivestiti di plastica per garantire l'isolamento e la protezione a lungo termine da reazioni chimiche indesiderate e dalla corrosione. Nel settore della mobilità, i requisiti si concentrano anche sulla Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica.
Le materie plastiche impiegate nelle batterie sono diverse e ognuna di esse svolge diverse funzioni di accumulo. Di seguito forniamo una panoramica dei materiali plastici più importanti e delle loro funzioni:
Gli elettrodi di una batteria devono essere isolati l'uno dall'altro per evitare cortocircuiti. A questo scopo, vengono spesso utilizzati rivestimenti in polimeri come il fluoruro di polivinilidene (PVDF) o il polietilene (PE). Questi materiali sono elettricamente isolanti e presentano un'elevata resistenza chimica per proteggere gli elettrodi dalla corrosione, ad esempio, causata dall'elettrolita.
Un legante aiuta a tenere insieme il materiale attivo (come l'ossido di metallo o la grafite) nell'elettrodo per garantire l'integrità e la stabilità durante il ciclo. Nelle batterie agli ioni di litio e nelle celle a combustibile viene spesso utilizzato il PVDF, che presenta una buona adesione agli elettrodi e un'elevata resistenza meccanica anche a temperature elevate. Nelle celle a combustibile, vengono utilizzati anche il politetrafluoroetilene (PTFE) e l'ossido di polifenilene (PPO), grazie al loro basso coefficiente di attrito. Nelle batterie a flusso redox, viene impiegato il poliacrilonitrile (PAN), che contribuisce non solo a una buona adesione ma anche alla stabilizzazione degli elettrodi.
I separatori sono pellicole o membrane poste tra gli elettrodi di una batteria per evitare cortocircuiti. Devono avere un'elevata permeabilità agli ioni per consentire il passaggio dell'elettrolita, ma devono essere impermeabili agli elettroni. A questo scopo vengono spesso utilizzati film plastici estrusi in polipropilene (PP) o polietilene (PE), che presentano un'elevata resistenza meccanica e buone proprietà isolanti, garantendo al contempo un efficace isolamento dagli elettroni. Nel processo a secco, il PVDF viene applicato come rivestimento a un tessuto non tessuto di fibre sintetiche, fuso e pressato ad alta temperatura. Oltre al processo a secco, il polisulfone (PS) entra in gioco nel processo a umido, in cui una soluzione viene applicata a un tessuto non tessuto di plastica. Il processo a umido consente di ottenere separatori con una maggiore porosità e una distribuzione dei pori più omogenea. Sono anche più sottili ma meno solidi dei separatori prodotti con il processo a secco.
L'alloggiamento di una batteria deve garantire stabilità meccanica e isolamento elettrico per proteggere gli elettrodi e l'elettrolita. In questo caso, vengono spesso utilizzate materie plastiche come l'acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) o il policarbonato (PC), che hanno un'elevata forza e resistenza agli urti e proteggono la batteria dai danni causati da influenze ambientali o campi elettrici.
Nelle celle a combustibile, gli ionomeri perfluorurati vengono utilizzati come membrane a scambio protonico (PEM). Questi materiali plastici sono caratterizzati da un'elevata conduttività protonica e da una buona stabilità chimica e termica, che li rende adatti all'uso nelle celle a combustibile. Le PEM devono avere un'elevata permeabilità ai gas che consenta il trasporto di ossigeno e idrogeno. Nelle batterie a flusso redox si utilizzano membrane a scambio ionico in polisolfone o cloruro di polivinile (PVC). Queste plastiche hanno una buona capacità di scambio ionico e un'elevata stabilità chimica, che le rendono ideali per l'uso in elettroliti aggressivi. Le membrane devono anche avere un'elevata resistenza meccanica per resistere al flusso del fluido nella batteria. Una differenza significativa tra le membrane in entrambe le applicazioni è la loro funzionalità. Nelle celle a combustibile, le PEM fungono da membrane elettrolitiche, separando l'anodo e il catodo e permettendo il flusso di protoni per consentire il passaggio della corrente elettrica. Nelle batterie a flusso redox, le membrane a scambio ionico separano le soluzioni elettrolitiche e consentono il flusso di ioni tra i due elettrodi.
I dispositivi di analisi termica e i reometri di NETZSCH aiutano a determinare le proprietà ideali delle materie plastiche per l'uso nelle batterie
Ecco alcuni esempi:
L'analisi termica viene utilizzata per caratterizzare le proprietà termiche delle materie plastiche, come la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione, la temperatura di transizione vetrosa, la CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione e la conducibilità termica. Ad esempio, la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione, che può essere misurata con la calorimetria a scansione differenziale (DSC), svolge un ruolo importante nello sviluppo dei separatori delle batterie. Se il separatore fonde ad alte temperature e gli elettrodi vanno in cortocircuito, si può verificare una reazione termica e un aumento della temperatura di esercizio della batteria. L'aumento della temperatura di esercizio può influire sulle prestazioni e sulla durata della batteria accelerando le reazioni chimiche al suo interno e la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione dell'elettrolito.
L'analisi termogravimetrica (TGA) viene utilizzata per testare la stabilità delle materie plastiche a temperature più elevate nel loro intervallo operativo.
L'analisi meccanica dinamica (DMA) può essere utilizzata per prevedere le prestazioni a lungo termine a temperatura ambiente o a temperature più elevate.
Glistudi reologici aiutano a determinare le proprietà ideali delle materie plastiche da utilizzare nelle batterie. Analizzando il comportamento di flusso dei materiali, è possibile caratterizzare la viscosità, l'elasticità e la plasticità delle materie plastiche. Ad esempio, la viscosità è essenziale nello sviluppo di rivestimenti per elettrodi, in quanto influisce sull'uniformità di applicazione del rivestimento e sulla sua aderenza.
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