Una cura appiccicosa per batterie ad alta capacità soggette a crepe

Se le auto elettriche devono mai percorrere centinaia di miglia tra una ricarica e l'altra, come devono competere con le auto alimentate a gas, le loro batterie dovranno immagazzinare molta più energia. Sfortunatamente, molti dei materiali per batterie ad alta capacità più promettenti sono inclini a rompersi in modi che potrebbero abbreviare un viaggio su strada elettrificato.

Poteri curativi: Le crepe formate in un elettrodo della batteria autorigenerante dopo che è stato caricato (in alto) iniziano a sigillarsi dopo cinque ore (in basso). L'elettrodo, una miscela di microparticelle di silicio e un polimero autorigenerante, è stato ripreso utilizzando un microscopio elettronico a scansione.

Ora i ricercatori della Stanford University hanno dimostrato che mescolare uno di questi materiali promettenti per batterie, le microparticelle di silicio, con polimeri autorigeneranti aiuta a prevenire il guasto di una batteria più duratura. Dicono che i polimeri autorigeneranti potrebbero stabilizzare altri materiali per batterie promettenti ma soggetti a danni.

L'elettrodo negativo, o anodo, della batteria autorigenerante combina il silicio con polimeri che agiscono come cerniere chimiche, riparando le crepe che si formano quando la batteria viene utilizzata e ricaricata.

L'elettrodo della batteria autorigenerante è stato finora testato con puro metallo di litio come elettrodo positivo, poiché la sua capacità di immagazzinamento è molto maggiore di quella di qualsiasi catodo convenzionale. Lo stesso elettrodo autorigenerante ha otto volte la capacità di immagazzinamento degli anodi di carbonio presenti in una batteria ricaricabile convenzionale agli ioni di litio. Se abbinato a un catodo convenzionale, creerebbe una batteria che immagazzina circa il 40% di energia in più. Se accoppiato con un catodo ad alta capacità corrispondente, lo stoccaggio totale di energia sarebbe raddoppiato o triplicato.

Mentre le precedenti batterie al silicio potevano essere scaricate e ricaricate solo 10 volte prima di rompersi, la batteria autorigenerante resiste a 100 cicli di ricarica. Ma non è ancora abbastanza, riconosce lo scienziato dei materiali di Stanford Yi Cui . Dobbiamo arrivare a 500 cicli per l'elettronica portatile e qualche migliaio per i veicoli elettrici, dice Cui.

Tuttavia, l'approccio di Cui potrebbe fornire una nuova via da seguire per materiali promettenti che sono stati bloccati. Questo indica un modo per risolvere un problema generale con alto - anodi di capacità, dice Paul Braun , uno scienziato dei materiali presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che non è coinvolto nel lavoro.

Gli anodi di silicio assorbono grandi quantità di litio quando la batteria è carica e rilasciano tutto quel litio quando la batteria viene utilizzata. Tali anodi possono immagazzinare molta energia in un piccolo spazio, ma la loro elevata capacità è un ostacolo per quanto riguarda i materiali di cui sono fatti: quando grandi quantità di litio entrano ed escono dalla batteria, il silicio si espande e si contrae, rompere gli anodi la prima volta che vengono utilizzati; la stessa cosa accade agli anodi in stagno e germanio.

Per la batteria autorigenerante, Cui ha collaborato con un altro ricercatore di Stanford, Zhenan Bao , che in precedenza aveva sviluppato una skin elettronica autorigenerante basata su un polimero elastico e appiccicoso (vedi Electric Skin che rivaleggia con la realtà).

Batteria: Questo prototipo di batteria agli ioni di litio utilizza un elettrodo di silicio autorigenerante.

Quando il polimero è fratturato, rifluisce insieme. Il gruppo ha mescolato alcune particelle di carbonio conduttivo per garantire che il polimero, che non è conduttivo, non impedisca il flusso di elettricità attraverso la batteria. Questa miscela appiccicosa è stata quindi combinata con microparticelle di silicio per creare un anodo. Quando la batteria viene caricata e scaricata, il silicio si espande, si contrae e si rompe, ma il polimero ricompone tutto. Normalmente, una volta che l'anodo si rompe, si perde il contatto elettrico, dice Cui. Il polimero autorigenerante lega di nuovo insieme le parti rotte.

Esistono altri modi per affrontare la tendenza del silicio a rompersi. Il gruppo di Cui ha sperimentato forme nanostrutturate di silicio, compresi i nanofili, in grado di sopportare lo sforzo di carica e ricarica. Anodi di silicio nanostrutturati come questo sono stati sviluppati da Di più , una società di Sunnyvale, in California, cofondata da Cui. Tuttavia, ricercatori e aziende stanno ancora imparando a conoscere questi nanomateriali. È facile mettere le mani su una piccola fiala di silicio nanostrutturato, ma produrre 50 o 60 tonnellate a un costo ragionevole è un grosso problema che non è stato risolto, afferma Braun.

Cui afferma che la combinazione di microparticelle con il polimero curativo potrebbe essere meno costosa e più pratica per le batterie ad alta capacità rispetto agli approcci che richiedono costosi nanomateriali. Le microparticelle di silicio utilizzate nella dimostrazione della batteria autorigenerante possono essere acquistate dallo scaffale in grandi quantità e non sono molto costose.

Nancy sottos , uno scienziato dei materiali presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, ha sviluppato un altro approccio: Sottos mescola capsule di materiali curativi con i materiali della batteria. Uno di questi materiali è una bolla che esplode per rilasciare metallo conduttivo per riparare i collegamenti elettrici in una batteria danneggiata. Il suo gruppo ha realizzato dimostrazioni di proof-of-concept utilizzando questo metodo.

Yuegang Zhang , un ricercatore di batterie presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, afferma che il legante autorigenerante di Stanford è promettente per altri tipi di materiali per batterie ad alta capacità, come lo stagno. Zhang ha adottato un approccio diverso nel suo lavoro, mescolando nanostrutture di stagno con grafene elastico, resistente e conduttivo per tenere insieme gli anodi. Notando il piccolo numero di volte in cui le batterie al silicio di Cui possono essere ricaricate, dice, il silicio ha ancora problemi, ma mi piace questa idea.

Ora che hanno fatto la prima dimostrazione, Cui e Bao stanno lavorando a soluzioni che consentirebbero alla loro batteria al silicio autorigenerante di passare attraverso più cicli di carica. Siamo solo all'inizio, dice Cui.

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