Grazie alle loro proprietà uniche, i nanotubi di grafene superano le alternative e migliorano significativamente le caratteristiche delle batterie agli ioni di litio in termini di densità energetica, sicurezza, potenza di scarica e adesione.
Tali miglioramenti prestazionali per i catodi delle batterie agli ioni di litio non possono essere effettuati con nessun materiale conduttivo tradizionale, tra cui il carbon black oppure i nanotubi di carbonio a parete multipla.
I nanotubi di grafene TUBALL™ (noti anche come nanotubi di carbonio a parete singola) hanno una serie di proprietà uniche quali un alto rapporto lunghezza/diametro, la flessibilità e la capacità di creare reti conduttive ben sviluppate e rafforzanti dentro i materiali attivi. Ciò consente ai nanotubi TUBALL™ di migliorare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio anche a dosaggi di lavoro ultra-bassi.
Come si può chiaramente vedere dall'immagine fatta con microscopio elettronico a scansione, anche il 0,08% dei nanotubi di grafene TUBALL™ nel materiale attivo NCM 811 copre perfettamente la superficie del materiale attivo e collega insieme le particelle.
I nanotubi di grafene TUBALL™ sono il materiale più conduttivo che può essere utilizzato nelle batterie agli ioni di litio, e persino una piccola quantità dello stesso è sufficiente per ridurre la resistenza interna della cella della batteria (DCR). Le reti stabili TUBALL™ rimangono dentro il materiale del catodo persino dopo più cicli di carica-scarica e periodi di stoccaggio della batteria, cosa che consente anche di mantenere DCR al basso livello dopo lo stoccaggio e l'utilizzo a temperature elevate (HT).
Un valore inferiore di DCR della batteria comporta all'aumento di temperatura più moderato e, quindi, riduce il rischio di incendio della batteria. Questo è un vantaggio importantissimo in termini di sicurezza che è stato reso possibile grazie ai nanotubi di grafene TUBALL™.
Meno del 0,1% TUBALL™ garantisce una densità energetica più alta. Tale concentrazione è 10-60 volte inferiore rispetto a quanto richiesto durante l'utilizzo dei nanotubi di carbonio a parete multipla o del carbon black come un materiale conduttivo. Nelle batterie contemporanee per i veicoli elettrici, 5 kg del carbon black conduttivo possono essere sostituiti da soli 100 g di TUBALL™.
Grazie alla conduttività senza pari dei nanotubi di grafene rispetto agli altri additivi conduttivi, l'utilizzo di TUBALL™ nei catodi garantisce una scarica veloce e, al tempo stesso, aumenta la capacità della batteria.
La rete dei nanotubi tiene insieme le particelle del materiale del catodo, aumentando la forza di legame tra le stesse.
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Per facilitare l'introduzione dei nanotubi di grafene nei catodi in base a LCO, LFP e NCM, nonché negli altri tipi di catodi, l'OCSiAl ha sviluppato il materiale TUBALL™ BATT: un prodotto pronto all'uso contenente nanotubi ben dispersi in diversi liquidi trasportatori che può essere semplicemente miscelato durante le lavorazioni di produzione standard.
Una conduttività senza pari di TUBALL™ garantisce una sicurezza implementata e una maggiore densità energetica della batteria. TUBALL™ BATT è attualmente disponibile sotto forma di dispersione ottimizzata ed economica.
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Come funzionano i nanotubi all'interno dell'elettrodo? (en)
Batterie a base di SWCNT: presente e futuro (Andrei Senyut, OCSiAl Energy) (en)
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High thickness and specific capacity leads to areal capacities of up to 45 and 30 mAh cm−2 for anodes and cathodes, respectively. Combining optimized composite anodes and cathodes yields full cells with state-of-the-art areal capacities (29 mAh cm−2) and specific/volumetric energies (480 Wh kg−1 and 1,600 Wh l−1).
Replacing Denka black with SWCNT allows to reduce the carbon content to 0.2 wt% to further increase the energy density, and 2 wt% of PVDF was shown to benefit the cycling stability due to the mitigated PVDF-induced side reactions from its direct contact with NCA particles.
100 μm thick electrodes with mass loadings 2 of ∼15 mg/cm2 were produced. While carbon black or graphene loadings of >10 wt % are required to reach OOP conductivities of 1 S/ m, this level can be achieved with ∼1 wt % of carbon nanotubes.
With minimum inactive components (i.e., binder and conductive agents), the proposed electrode structure delivers good cycling stability and rate capability under high areal loading (as high as 200 mg cm−2).
