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I nanotubi danno una scossa alle batterie
Una batteria agli ioni di litio con un elettrodo positivo fatto di nanotubi di carbonio fornisce 10 volte più potenza di una batteria convenzionale e può immagazzinare cinque volte più energia di un convenzionale ultracondensatore. La tecnologia delle batterie a nanotubi, sviluppata dai ricercatori del MIT e concessa in licenza a una società di batterie sconosciuta, potrebbe portare a batterie che migliorano i veicoli ibridi pesanti e consentono una ricarica più rapida per i gadget elettronici, inclusi gli smartphone.
Nanopotenza: I pori tra i nanotubi in questa immagine di microscopia elettronica a trasmissione possono immagazzinare ioni di litio in una batteria ad alta potenza.
I ricercatori hanno cercato di realizzare elettrodi per batterie agli ioni di litio da nanotubi di carbonio perché la loro elevata superficie e l'elevata conduttività promettono di migliorare sia l'energia che la densità di potenza rispetto alle forme convenzionali di carbonio. Ma lavorare con il materiale si è rivelato impegnativo: la maggior parte dei metodi per assemblare i nanotubi di carbonio richiede un agente legante che abbassi la conduttività dell'elettrodo e porti alla formazione di grumi di materiale, riducendo la superficie. Gli elettrodi realizzati dal gruppo MIT, invece, hanno una superficie molto elevata per immagazzinare e reagire con il litio. Questa elevata superficie è fondamentale sia per l'elevata capacità di conservazione degli elettrodi, sia per la loro elevata potenza: poiché il litio è immagazzinato sulla superficie, può entrare e uscire rapidamente dall'elettrodo, consentendo una carica e una scarica più rapida della batteria .
La chiave per le prestazioni degli elettrodi MIT è un processo di assemblaggio che crea film di nanotubi di carbonio densi, interconnessi ma porosi, senza la necessità di riempitivi. Il gruppo, guidato dal professore di ingegneria chimica Paula Hammond e professore di ingegneria meccanica Yang Shao-Corno , creare soluzioni acquose di nanotubi di carbonio trattati in modo che un gruppo sia caricato positivamente e l'altro sia caricato negativamente. Quindi immergono alternativamente un substrato, come un vetrino, nelle due soluzioni e i nanotubi, attratti dalle differenze nella loro carica, si aggrappano l'uno all'altro in modo molto forte in strati uniformi e sottili. I ricercatori avevano precedentemente dimostrato che quando riscaldati e rimossi dal substrato, questi film densi ma porosi potevano immagazzinare molta carica e rilasciarla rapidamente, agendo come un elettrodo in un ultracondensatore.
Ora il gruppo del MIT ha adattato questi metodi per realizzare elettrodi per batterie. Le batterie agli ioni di litio vengono caricate e scaricate quando gli ioni di litio si spostano da un elettrodo all'altro, guidati o guidati da una corrente esterna. Maggiore è la quantità di litio che la batteria può immagazzinare, maggiore è la sua capacità totale di accumulo di energia. Più velocemente gli ioni possono spostarsi da un elettrodo all'altro, maggiore è la sua potenza. Nel lavoro pubblicato questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura , il gruppo del MIT ha mostrato che gli ioni di litio in un elettrolita di batteria reagiscono con gruppi chimici contenenti ossigeno sulla superficie dei nanotubi di carbonio nel film. A causa dell'enorme superficie e della struttura porosa degli elettrodi di nanotubi, ci sono molti punti in cui gli ioni possono reagire e possono viaggiare dentro e fuori rapidamente, il che conferisce alla batteria dei nanotubi un'elevata capacità energetica e potenza, afferma Shao-Horn.
Questo lavoro ha dimostrato ancora una volta che lo sviluppo di metodi per un attento controllo strutturale su scala nanometrica porta a importanti miglioramenti nelle prestazioni dei materiali, afferma Nicholas Kotov , professore di ingegneria chimica presso l'Università del Michigan. Credo che sia solo l'inizio del grande miglioramento delle batterie al litio utilizzando un approccio di ingegneria dei materiali.
Il passo successivo, dice Hammond, è accelerare le cose. Usando il metodo di immersione, il gruppo è in grado di realizzare film di nanotubi relativamente spessi, ma ci vuole una settimana. Se vuoi realizzare una batteria per auto, devi renderla più spessa e su aree estese, afferma Hammond. Invece di immergere un substrato nelle due soluzioni di nanotubi, il gruppo di Hammond sta ora realizzando gli elettrodi in poche ore spruzzando alternativamente nebbie diluite delle due soluzioni di nanotubi. Uno dei principali vantaggi di questo metodo di nebulizzazione è che è compatibile con i processi di stampa su grandi aree che promettono velocità e compatibilità con un'ampia gamma di substrati. Ad esempio, le batterie a nanotubi potrebbero essere stampate direttamente su circuiti integrati.