Un team di ricercatori sui materiali di Juelich, Monaco, e Praga è riuscita a produrre un materiale composito particolarmente adatto per gli elettrodi delle batterie al litio. Il materiale nanocomposito potrebbe aiutare ad aumentare significativamente la capacità di stoccaggio e la durata delle batterie, nonché la loro velocità di ricarica. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

Le batterie agli ioni di litio sono il punto di riferimento definitivo quando si tratta di telefoni cellulari, dispositivi tablet, e auto elettriche. La loro capacità di archiviazione e densità di potenza sono di gran lunga superiori ad altri sistemi di batterie ricaricabili. Nonostante i recenti progressi, però, le batterie degli smartphone durano solo un giorno e le auto elettriche hanno bisogno di ore per essere ricaricate. Gli scienziati stanno quindi lavorando su modi per migliorare le densità di potenza e le velocità di ricarica delle batterie a tutto tondo. "Un fattore importante è il materiale dell'anodo, " spiega Dina Fattakhova-Rohlfing dell'Istituto di ricerca sull'energia e il clima (IEK-1).

"In linea di principio, anodi a base di biossido di stagno possono raggiungere capacità specifiche molto più elevate, e quindi immagazzinare più energia, rispetto agli anodi di carbonio attualmente in uso. Hanno la capacità di assorbire più ioni di litio, " dice Fattakhova-Rohlfing. "Puro ossido di stagno, però, mostra una stabilità del ciclo molto debole:la capacità di conservazione delle batterie diminuisce costantemente e possono essere ricaricate solo poche volte. Il volume dell'anodo cambia ad ogni ciclo di carica e scarica, che lo porta a sgretolarsi".

Un modo per affrontare questo problema sono i materiali ibridi o nanocompositi, materiali compositi che contengono nanoparticelle. Gli scienziati hanno sviluppato un materiale comprendente nanoparticelle di ossido di stagno arricchite con antimonio, su uno strato di base di grafene. La base di grafene aiuta la stabilità strutturale e la conduttività del materiale. Le particelle di ossido di stagno hanno una dimensione inferiore a tre nanometri, in altre parole meno di tre milionesimi di millimetro, e sono "cresciute" direttamente sul grafene. La piccola dimensione della particella e il suo buon contatto con lo strato di grafene migliorano anche la sua tolleranza alle variazioni di volume:la cella al litio diventa più stabile e dura più a lungo.

Tre volte più energia in un'ora

"L'arricchimento delle nanoparticelle con antimonio assicura che il materiale sia estremamente conduttivo, " spiega Fattakhova-Rohlfing. "Questo rende l'anodo molto più veloce, il che significa che può immagazzinare una volta e mezza più energia in un solo minuto rispetto a quanto sarebbe possibile con gli anodi di grafite convenzionali. Può persino immagazzinare tre volte più energia per il consueto tempo di ricarica di un'ora."

"Densità di energia così elevate sono state raggiunte in precedenza solo con basse velocità di ricarica, " dice Fattakhova-Rohlfing. "Cicli di ricarica più rapidi hanno sempre portato a una rapida riduzione della capacità." Gli anodi drogati con antimonio sviluppati dagli scienziati, però, conservano il 77 % della loro capacità originaria anche dopo 1, 000 cicli.

"Gli anodi nanocompositi possono essere prodotti in modo semplice ed economico. E i concetti applicati possono essere utilizzati anche per la progettazione di altri materiali anodici per batterie agli ioni di litio, " spiega Fattakhova-Rohlfing. "Ci auguriamo che il nostro sviluppo apra la strada a batterie agli ioni di litio con una densità di energia notevolmente aumentata e un tempo di ricarica molto breve".