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Nanowire Advance per batterie al litio
Gli ioni di litio sono diventati la batteria preferita per i veicoli elettrici, spingendo i ricercatori a migliorare le prestazioni, la longevità e l'affidabilità della tecnologia. Un nuovo tipo di elettrodo a nanofili sviluppato da un professore di scienza dei materiali e ingegneria Yi Cui a Stanford è un passo verso quell'obiettivo.
Nanowire Boost: I nanofili di carbonio rivestiti di silicio (in basso) producono un materiale in grado di immagazzinare una carica sei volte maggiore della grafite utilizzata negli attuali elettrodi delle batterie al litio. (Nanofili di carbonio nudi mostrati in alto.)
I nuovi elettrodi, discussi nella scorsa settimana Nano lettere , può immagazzinare sei volte più carica degli elettrodi di grafite nelle attuali batterie al litio, il che significa che le auto elettriche che danno più chilometraggio per sessione di ricarica.
Quando una batteria al litio viene caricata, gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo positivo (catodo) all'anodo negativo. Il silicio è un materiale promettente per gli anodi perché può immagazzinare oltre 10 volte il numero di ioni della grafite a parità di peso. Ma quando il silicio assorbe la carica, si gonfia fino a quattro volte il suo volume originale, rompendosi dopo alcuni cicli di ricarica.
I nuovi nanofili sfruttano le proprietà del silicio e della grafite. Cui e i suoi colleghi realizzano il materiale depositando silicio amorfo su nanofili di carbonio. I fili possono immagazzinare una carica di circa 2.000 milliampere per grammo, mentre gli anodi di grafite immagazzinano meno di 360 milliampere per grammo. Nel frattempo, il nucleo in carbonio li rende robusti. Gli ioni di litio possono anche essere assorbiti nel carbonio, afferma Cui, ma l'espansione del volume del carbonio è del 10% o inferiore, quindi fornisce una spina dorsale stabile. Nei test, i nanofili hanno funzionato bene per più di 50 cicli di ricarica.
I ricercatori avevano precedentemente realizzato elettrodi da nanofili di silicio cristallino puro. Questi avevano il triplo della capacità di stoccaggio degli elettrodi di grafite, ma sono durati solo 20 cicli.
I nanofili carbonio-silicio sono anche più facili da realizzare. Non richiedono le alte temperature necessarie per far crescere i nanofili di solo silicio. La nanofibra di carbonio è già disponibile in commercio e se ne possono produrre tonnellate, dice Cui. Il processo di rivestimento potrebbe essere reso molto più veloce ed è facile per la produzione su larga scala.
Per l'uso nei veicoli elettrici commerciali, gli elettrodi della batteria al litio devono durare per almeno 300 cicli di carica. A questo proposito, i nanofili potrebbero affrontare una forte concorrenza. Nel dicembre 2008, un team dell'Università di Hanyang ad Ansan, in Corea del Sud, ha presentato anodi di silicio nanoporoso che sono durati per più di 100 cicli di ricarica e potrebbero immagazzinare più carica dei nanofili. Chimico Jaephil Cho , che ha guidato il lavoro, afferma che il materiale nanoporoso ha più volume di silicio per unità rispetto ai nanofili, quindi può contenere più carica per unità di volume. Tuttavia, afferma, la [produzione] della fibra di carbonio è facile da scalare e quindi si ritiene che il metodo [di Cui] per realizzare i nanofili di carbonio-silicio sia molto pratico.
General Motors e Applied Sciences, nel frattempo, stanno sviluppando anodi a nanofili molto simili a quelli del team di Stanford. Le aziende rivestono le nanofibre di carbonio con particelle di silicio, al contrario del silicio amorfo, ottenendo anodi in grado di immagazzinare una carica da 1.000 a 1.500 milliampere/ora per grammo. Gholam-Abbas Nazri, che sta conducendo il lavoro presso il Centro di ricerca e sviluppo GM a Warren, MI, afferma che la capacità dell'anodo può essere aumentata rendendo lo strato di silicio più spesso, ma in questo momento è meglio stabilizzare la capacità a 1.000 milliampere ora per grammo. Gli anodi che immagazzinano più carica hanno bisogno di catodi in grado di fornire una carica più alta, dice Nazri, e al momento non c'è nessun catodo [materiale] con una capacità sufficiente per abbinare l'anodo di carbonio-silicio.
Cui è fiducioso nel successo del silicio come materiale anodico per le batterie al litio. Nei prossimi cinque anni o meno, vedremo una batteria con anodi di silicio, dice. Tuttavia, il costo sarà il fattore decisivo. Alla fine, dice, tutto dipende da chi può inventare un processo di produzione a basso costo e su larga scala, produrre le migliori prestazioni e realizzare prodotti.