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Batterie agli ioni di litio ad alta capacità
Ricercatori in Francia hanno creato elettrodi per batterie agli ioni di litio con una capacità energetica di diverse volte superiore, in peso e volume, degli elettrodi convenzionali. I nuovi elettrodi potrebbero aiutare a ridurre le dimensioni delle batterie dei telefoni cellulari e dei laptop, oppure aumentare la durata del funzionamento di un dispositivo con una carica. Inoltre, i metodi nanotecnologici utilizzati per realizzare questi elettrodi potrebbero fornire un modo semplice ed economico per strutturare nuovi materiali per batterie di nuova generazione per veicoli ibridi plug-in e completamente elettrici.
Una foresta di barre di rame di circa 100 nanometri di diametro crea molta più superficie per gli elettrodi delle batterie ad alta capacità.
Il progresso chiave è lo sviluppo di un modo economico e semplice per organizzare minuscole particelle in una nanostruttura desiderata, afferma Patrice Simon, professore di chimica presso l'Université Paul Sabatier, che ha partecipato al lavoro insieme ad altri ricercatori dell'università e dell'Université Picardie Jules. Verna.
In un elettrodo di batteria convenzionale, ioni ed elettroni si sposteranno rapidamente dentro e fuori il materiale attivo, consentendo una carica e una scarica rapida, solo se il materiale si deposita in una pellicola molto sottile. I film sottili, tuttavia, limitano la quantità di materiale attivo che può essere incorporato in una batteria. Per le batterie ad alta capacità, gli ingegneri in genere aumentano lo spessore del materiale attivo, scambiando la ricarica rapida e le raffiche ad alta potenza per un maggiore accumulo di energia.
Questa nuova nanostruttura consente sia un'elevata potenza che un'elevata capacità di archiviazione. I materiali attivi vengono applicati in un film molto sottile a nanotubi di rame ancorati a fogli di lamina di rame. Questo film sottile consente il rapido movimento di ioni ed elettroni, fornendo energia. Allo stesso tempo, l'elevata area superficiale della foresta di nanobarre rende possibile impacchettare molto più materiale attivo in un elettrodo rispetto a quanto normalmente consentito dai film sottili, aumentando così la capacità energetica. Le aste forniscono 50 centimetri quadrati di superficie per ogni centimetro quadrato di elettrodo.
Inoltre, l'elevata mobilità di ioni ed elettroni dello strato sottile consente di utilizzare un nuovo materiale attivo e una nuova reazione chimica per le batterie agli ioni di litio. Questa nuova chimica è interessante perché può ospitare molti più ioni di litio e le loro controparti di elettroni rispetto alla chimica utilizzata ora, immagazzinando potenzialmente più energia.
I nuovi elettrodi, che sarebbero stati utilizzati come elettrodi negativi nelle batterie agli ioni di litio, hanno anche mostrato la capacità di mantenere la loro elevata capacità dopo essere stati caricati e scaricati molte volte, suggerendo che gli elettrodi potrebbero avere una lunga durata utile, afferma Simon, sebbene sono necessari test più approfonditi per confermare questa supposizione.
Perché questo anticipo, descritto online questa settimana in Materiali della natura , si applica finora agli elettrodi negativi, l'aumento percentuale di capacità rispetto alle batterie odierne dipenderà anche dalla capacità dell'elettrodo positivo. (Vedi Battery Breakthrough per una descrizione di un possibile candidato all'elettrodo positivo citato dai ricercatori.) Le prime applicazioni della tecnologia saranno probabilmente batterie estremamente piccole, dice Simon. Questi potrebbero essere utili per sensori remoti o impianti medici. Ulteriori applicazioni richiederanno l'aumento delle dimensioni degli elettrodi che i ricercatori possono realizzare e anche l'ottimizzazione del materiale attivo che utilizzano.
I materiali utilizzati negli esperimenti riportati non sono efficienti dal punto di vista energetico: circa il 20-25 percento dell'energia utilizzata per caricarli non può essere recuperata durante lo scaricamento. Questa perdita di energia non è un grosso problema con le batterie dei telefoni cellulari, afferma Gerbrand Ceder, professore di scienze dei materiali e ingegneria al MIT. Nel corso della vita probabilmente spendi qualche centesimo per caricare il cellulare, dice. Ma per applicazioni energetiche più grandi, come i veicoli elettrici, questa mancanza di efficienza potrebbe essere costosa, soprattutto con i prezzi elevati dell'elettricità. Per questo motivo, i ricercatori stanno incorporando diversi materiali attivi ad alta capacità nei loro elettrodi nanostrutturati che non presentano questo problema di efficienza energetica.
Nel rivolgersi alla nanotecnologia per migliorare le batterie, i ricercatori francesi non sono gli unici. Almeno due società, A123 Systems, a Watertown, MA, e Altair Nano, a Reno, NV, hanno realizzato batterie che includono elettrodi con materiali attivi nanostrutturati; e numerosi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno sviluppando tali elettrodi. Simon descrive il processo del suo gruppo come più semplice ed economico di molti altri metodi per realizzare nanostrutture. È anche versatile, in grado di essere utilizzato con una varietà di materiali attivi, afferma.
Potrebbe anche essere importante per un'altra tendenza chiave nella ricerca sulle batterie: il passaggio da strati piatti di materiali per elettrodi a elettrodi positivi e negativi che si compenetrano: un'architettura tridimensionale che può migliorare la mobilità di ioni ed elettrodi, aumentando così la potenza della batteria. Il gruppo francese sta anche lavorando su una batteria tridimensionale, afferma Simon, che unirà i suoi elettrodi negativi con un elettrodo positivo ad alte prestazioni.