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Un modo semplice per aumentare lo stoccaggio della batteria
Gli elettrodi della batteria agli ioni di litio legati insieme da un nuovo materiale altamente conduttivo hanno una capacità di stoccaggio molto maggiore, uno sviluppo che potrebbe eventualmente aumentare l'autonomia delle auto elettriche e la durata delle batterie degli smartphone senza aumentarne i costi. A differenza di molti elettrodi ad alta capacità sviluppati negli ultimi anni, questi possono essere realizzati utilizzando le apparecchiature già presenti nelle fabbriche di batterie di oggi.
Legante batteria: Questa immagine al microscopio mostra un elettrodo di silicio prima della carica (a sinistra) e dopo 32 cicli. Un nuovo legante mantiene le particelle vicine tra loro.
La chiave è un legante polimerico elastico e altamente conduttivo che può essere utilizzato per tenere insieme silicio, stagno e altri materiali che possono immagazzinare molta energia ma che sono normalmente instabili. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno meticolosamente progettato questo nuovo legante polimerico e lo hanno utilizzato per realizzare un anodo di silicio per una batteria ricaricabile agli ioni di litio con una capacità di accumulo del 30% superiore a quella oggi sul mercato. È anche più stabile nel tempo rispetto agli elettrodi sviluppati in precedenza.
Quando una batteria agli ioni di litio viene caricata, gli ioni di litio vengono assorbiti da uno degli elettrodi, chiamato anodo. Più litio può contenere l'anodo, più energia può immagazzinare la batteria. Il silicio è uno dei materiali per anodi più promettenti: può immagazzinare 10 volte più litio della grafite, che viene utilizzata per realizzare gli anodi nelle batterie agli ioni di litio oggi sul mercato. La grafite assorbe il litio come una spugna, mantenendone la forma, ma il silicio è più simile a un palloncino, dice Gao Liu , ricercatore presso la divisione Environmental Energy Technologies di Berkeley Lab.
Tuttavia, poiché gli anodi di silicio si gonfiano e si restringono, cambiando di volume di tre o quattro volte mentre vengono caricati e scaricati, la capacità della batteria diminuisce nel tempo. Dopo alcuni cicli di carica e scarica, molto presto le particelle di silicio non sono in contatto tra loro, il che significa che l'anodo non può condurre elettricità, afferma Liu.
Un approccio al problema è strutturare questi anodi in un modo completamente diverso, ad esempio facendo crescere matrici irsute di nanofili di silicio che possono piegarsi, gonfiarsi e muoversi quando il litio entra ed esce. Questo approccio è commercializzato da Amprius, una startup a Palo Alto, in California. Ma la crescita dei nanofili richiede nuovi processi che normalmente non vengono utilizzati nella produzione di batterie.
Gli anodi odierni sono realizzati verniciando una sospensione a base di solvente di particelle di grafite tenute insieme da un legante, un processo semplice che mantiene bassi i costi. I ricercatori di Berkeley ritengono che la chiave per realizzare nuovi materiali per batterie come il silicio sia attenersi a questo processo di produzione. Ciò significava trovare un legante gommoso che si attaccasse alle particelle di silicio, rimanesse altamente conduttivo nell'ambiente ostile dell'anodo e si allungasse e si contraesse mentre l'anodo si gonfiava e si sgonfiava.
La maggior parte del lavoro sulle batterie avanzate si è concentrato sui materiali attivi, ma abbiamo spinto questi materiali al limite, afferma Yury Gogotsi , professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Drexel University. Ora ciò che ci limita sono i raccoglitori.
Leggendo i documenti sui leganti delle batterie al silicio, Liu ha notato che i ricercatori stavano commettendo errori fatali, ad esempio scegliendo polimeri che perdono la loro conduttività nei tipi di condizioni che si trovano in un anodo. Ha lavorato con chimici teorici per elaborare un elenco di polimeri con le proprietà elettriche giuste per il lavoro. Una volta trovato uno, l'hanno alterato per renderlo molto più appiccicoso. Una volta sviluppato e caratterizzato questo nuovo materiale, sono stati in grado di realizzare anodi di silicio utilizzando processi convenzionali e testarli nelle batterie.
Gli anodi del gruppo Berkeley sono stati testati in oltre 650 cicli di ricarica. Mantengono una capacità di stoccaggio di 1.400 milliampere per grammo, molto maggiore dei circa 300 immagazzinati dagli anodi convenzionali. Le batterie piene che incorporano gli anodi immagazzinano circa il 30% in più di energia totale rispetto a una batteria commerciale agli ioni di litio. In genere, la capacità della batteria aumenta di circa il 5% all'anno, osserva Liu. Dice che hanno testato il legante in altri anodi di batterie, compresi quelli fatti di stagno, che hanno potenziali e problemi simili e che dovrebbe funzionare per tali materiali.
La capacità di stoccaggio di queste batterie è quasi pari a quella di quelle realizzate con nanofili di silicio puro senza leganti, afferma Yi Cui , professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e uno dei fondatori di Amprius. È impressionante, dice, considerando che il legante non immagazzina litio.
Il gruppo di Liu sta ora collaborando con i ricercatori della 3M alla ricerca sull'anodo. 3M sta aumentando la produzione di materiali per batterie a base di silicio progettati per non espandersi così tanto durante la ricarica, afferma Kevin Eberman, che sta sviluppando prodotti con materiali per batterie presso Elettronica 3M a St. Paul, Minnesota. Ma per farli funzionare, un buon raccoglitore è la chiave. L'azienda fornisce al gruppo di Berkeley i materiali da testare. Liu afferma che il gruppo di Berkeley ha brevettato i leganti ed è in trattative con alcune aziende per commercializzarli.