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Analisi post-mortem dei materiali di celle lito-ioni: procedura di apertura e risultati di prova

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Analisi post-mortem dei materiali di celle lito-ioni: procedura di apertura e risultati di prova

Il documento descrive alcune analisi post-mortem eseguite su celle litio-ioni allo scopo di evidenziare gli effetti dell’invecchiamento sullo stato dei materiali di cella e in particolare verificare se la sovrascarica delle celle, effettuata al fine di aprire in sicurezza le celle, può causare un degrado della lamina di rame dell’anodo, in questo modo falsando l’esito dei successivi accertamenti sui materiali. I risultati ottenutismentiscono questa ipotesi e sembrano dimostrare che il degrado del rame sia correlato all’invecchiamento delle celle. Si descrive inoltre una procedura di apertura sviluppata per estrarre in sicurezza campioni da celle cariche anche di elevata capacità e una rassegna della letteratura scientifica relativa alle analisi post-mortem delle celle litio-ioni.

L’analisi dei meccanismi di invecchiamento degli accumulatori elettrochimici è uno dei temi chiave dell’attività di ricerca in questo settore. Le metodologie di analisi dell’invecchiamento comprendono due tipologie di prove, che possono essere eseguite in modo sequenziale, ovvero le analisi non distruttive e le analisi post-mortem. Le analisi non distruttive sono prove elettriche di laboratorio eseguite per misurare l’andamento dello stato di salute dell’accumulatore al passare del tempo e a seguito di un ciclaggio, al variare delle condizioni operative. Le analisi post-mortem sono analisi chimico-fisiche che possono essere eseguite a completamento delle analisi non distruttive, su campioni estratti dagli accumulatori per verificare gli effetti dell’invecchiamento sui materiali.

Nel documento si riportano i risultati di analisi post-mortem eseguite su celle litio-ioni allo scopo di chiarire meglio alcuni risultati ottenuti negli anni precedenti. Le precedenti analisi hanno infatti evidenziato una correlazione tra il grado di invecchiamento delle celle litio-ioni esaminate, che si manifestava in un aumento della resistenza interna delle celle sottoposte a ciclaggio rispetto al valore iniziale, e la corrosione delle lamine di rame dell’anodo. Tali analisi sono state condotte sempre su celle sovrascaricate fino a 0 V, come richiesto nella procedura di apertura eseguita in precedenza, dettata da ragioni di sicurezza per l’operatore.

L’obiettivo dell’attività è mettere a punto una procedura di apertura delle celle che permetta di estrarre i campioni da esaminare senza la necessità di scaricare a 0 V la cella e chiarire, tramite le analisi postmortem, se i danneggiamenti osservati nelle celle litio-ioni esaminate in precedenza siano imputabili alla sovrascarica effettuata al fine di aprire le celle, o all’invecchiamento.

A questo scopo sono stati analizzati campioni estratti da due nuove celle litio-ioni, della stessa tipologia, di cui una sovrascaricata fino a 0 V e la seconda scaricata fino alla minima tensione operativa di 2,7 V. L’analisi dei diversi materiali è stata condotta attraverso la microscopia a scansione elettronica e la microanalisi con rilevatore a dispersione di energia. Le analisi post-mortem dei campioni estratti dalle nuove celle non hanno evidenziato alcuna alterazione dei materiali di cella, né nel comparto catodico, né in quello anodico e in particolare la lamina di rame non mostra in questo caso alcun segno di corrosione né deformazioni meccaniche. Questi risultati sembrerebbero, quindi, smentire l’ipotesi che la sovrascarica sia la causa del danneggiamento della lamina di rame, che potrebbe quindi essere effettivamenti correlato allo stato di invecchiamento delle celle.

Nel documento si riporta una descrizione della nuova procedura di apertura sviluppata, che ha richiesto l’analisi della letteratura scientifica sull’argomento anche allo scopo di analizzare i rischi dell’attività. Si riporta inoltre una analisi comparativa tra varie procedure di test sviluppate da RSE e da ENEA, finalizzata alla messa a punto di una procedura condivisa che possa coprire tutti gli aspetti della diagnostica degli accumulatori elettrochimici.

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