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Batterie al litio super ricaricabili
Le batterie al litio esistenti possono consentire ai veicoli elettrici alimentati a batteria di percorrere centinaia di miglia con una carica, spingendo una gara tra le principali case automobilistiche per dimostrare che le batterie sono abbastanza sicure e durevoli per il marketing di massa. Gli sviluppatori di batterie, nel frattempo, continuano a spingere le prestazioni del litio. Il mese scorso, gli scienziati dei materiali della Stanford University hanno presentato un elettrodo a nanofili che potrebbe più che triplicare la capacità di accumulo di energia delle batterie al litio e migliorare la loro sicurezza.
Nanofili rigonfi: Quando vengono caricati con ioni di litio, questi nanofili di silicio si gonfiano da 89 nanometri di larghezza (in alto) a 141 nanometri di larghezza e si allungano (in basso); possono ospitare 10 volte più ioni di litio rispetto agli elettrodi di grafite convenzionali. Di conseguenza, i nanofili potrebbero più che triplicare la capacità energetica delle batterie al litio.
Lo sviluppo, riportato sulla rivista scientifica Nanotecnologia della natura , nasce dai laboratori dell'innovatore di nanofili Yi Cui e dall'esperto di batterie Robert Huggins presso la Stanford's Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Materiali . I ricercatori mostrano che i nanofili di silicio di pochi atomi di diametro possono funzionare come elettrodi ad alta capacità, assorbendo e rilasciando circa 10 volte più ioni di litio rispetto agli elettrodi di grafite comunemente usati oggi.
Caricare una batteria al litio di solito significa spostare gli ioni di litio dall'elettrodo positivo o dal catodo della batteria al suo elettrodo o anodo negativo. Il silicio ha la giusta affinità elettrochimica per gli ioni di litio per renderlo un materiale promettente per gli anodi. In effetti, fino ad ora, è stato un po' troppo promettente. Gli anodi di silicio assorbono troppo litio. Durante la carica, gli anodi di silicio si gonfiano fino a quattro volte il loro volume precedente, fratturando il materiale. Dopo pochi cicli di carica, gli anodi sono finiti.
I nanofili, al contrario, affrontano il gonfiore senza problemi. I nanofili di silicio dei collaboratori di Stanford si gonfiano quando caricati da 89 nanometri a 141 nanometri di larghezza e contemporaneamente si allungano, rilasciando così il ceppo. Non mostrano segni di cedimento meccanico dopo più di 20 cicli.
Né, secondo Cui, i nanofili di silicio sembrano suscettibili come la grafite ai tipici meccanismi di guasto che causano problemi di sicurezza (compresi gli incendi che hanno provocato nuovi le regole del Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti questa settimana limitando le batterie al litio nel bagaglio da stiva). Potenzialmente, il silicio sarà molto più sicuro del carbonio, afferma Cui, il quale sottolinea che una maggiore sicurezza potrebbe essere la chiave per la futura accettazione del litio nei veicoli. Bastano uno o due incidenti per distruggere una tecnologia. Dice che sono in corso test su molti più cicli per confermare la maggiore durata e sicurezza dell'anodo di nanofili di silicio.
Lo svantaggio è che il processo di crescita dei nanofili utilizzato da Cui, che alimenta silicio gassoso a un catalizzatore di oro liquido per realizzare l'elettrodo solido, è un processo ad alta temperatura (da 600 a 900 °C) che potrebbe essere costoso da aumentare. Cui ritiene che lo scale-up del processo vapore-liquido-solido sia comunque fattibile, ma riconosce che sta anche esplorando un altro approccio.
Chimico della Ohio State University Yiying Wu , che lavora anche su elettrodi a nanofili, definisce il lavoro di Stanford decisamente molto importante. Ma Wu e altri scienziati dei materiali avvertono che saranno necessari ulteriori progressi prima che le batterie al litio con elettrodi a nanofili forniscano importanti aumenti delle prestazioni delle batterie dei veicoli elettrici. Non da ultimo è la necessità di aumentare il processo di fabbricazione dei nanofili, che devono ancora essere prodotti in serie per l'applicazione commerciale.
Un'altra limitazione è che mentre i nanofili di silicio di Cui producono ottimi anodi, la tecnologia delle batterie al litio ha un maggiore bisogno di catodi migliorati. In una data batteria, la sostituzione di un anodo che immagazzina più ioni di litio non ha alcun impatto senza un catodo corrispondente in grado di fornire più carica.
Sia Cui che Wu (che segnalato il suo sviluppo dell'anodo di litio il mese scorso con un nanofilo di ossido di cobalto ad alta capacità) affermano che i loro laboratori stanno lavorando su nuovi materiali per i catodi. Questo è il Santo Graal per questo business, dice Wu. Chiunque sia in grado di generare una capacità del catodo molto più elevata porterà un enorme passo avanti per la batteria al litio.