È probabile che le ultime batterie agli ioni di litio sul mercato prolunghino la durata da carica a carica di telefoni e auto elettriche fino al 40%. questo balzo in avanti, che arriva dopo più di un decennio di miglioramenti incrementali, sta accadendo perché gli sviluppatori hanno sostituito l'anodo di grafite della batteria con uno in silicio. La ricerca della Drexel University e del Trinity College in Irlanda suggerisce ora che un miglioramento ancora maggiore potrebbe essere in linea se il silicio fosse fortificato con un tipo speciale di materiale chiamato MXene.

Questa regolazione potrebbe prolungare la durata delle batterie agli ioni di litio fino a cinque volte, il gruppo ha recentemente riportato in Comunicazioni sulla natura . È possibile grazie alla capacità del materiale MXene bidimensionale di impedire all'anodo di silicio di espandersi fino al punto di rottura durante la carica, un problema che ne ha impedito l'uso per qualche tempo.

"Si prevede che gli anodi di silicio sostituiscano gli anodi di grafite nelle batterie agli ioni di litio con un enorme impatto sulla quantità di energia immagazzinata, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e Bach Professor al Drexel's College of Engineering e direttore dell'A.J. Drexel Nanomaterials Institute nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, che è stato coautore della ricerca. "Abbiamo scoperto che l'aggiunta di materiali MXene agli anodi di silicio può stabilizzarli abbastanza da essere effettivamente utilizzati nelle batterie".

Nelle batterie, la carica viene trattenuta negli elettrodi, il catodo e l'anodo, e consegnata ai nostri dispositivi mentre gli ioni viaggiano da anodo a catodo. Gli ioni ritornano all'anodo quando la batteria viene ricaricata. La durata della batteria è stata costantemente aumentata trovando modi per migliorare la capacità degli elettrodi di inviare e ricevere più ioni. La sostituzione del silicio con la grafite come materiale primario nell'anodo agli ioni di litio migliorerebbe la sua capacità di assorbire ioni perché ogni atomo di silicio può accettare fino a quattro ioni di litio, mentre negli anodi di grafite, sei atomi di carbonio assorbono un solo litio. Ma mentre si carica, anche il silicio si espande, fino al 300 percento, il che può causarne la rottura e il malfunzionamento della batteria.

La maggior parte delle soluzioni a questo problema ha comportato l'aggiunta di materiali in carbonio e leganti polimerici per creare una struttura per contenere il silicio. Il processo per farlo, secondo Gogotsi, è complesso e il carbonio contribuisce poco alla carica di stoccaggio della batteria.

Al contrario, il metodo del gruppo Drexel e Trinity mescola la polvere di silicio in una soluzione MXene per creare un anodo ibrido silicio-MXene. I nanofogli MXene si distribuiscono in modo casuale e formano una rete continua avvolgendo le particelle di silicio, agendo così come additivo conduttivo e legante allo stesso tempo. È il framework MXene che impone anche l'ordine agli ioni quando arrivano e impedisce l'espansione dell'anodo.

"I MXene sono la chiave per aiutare il silicio a raggiungere il suo potenziale nelle batterie, " ha detto Gogotsi. "Poiché gli MXene sono materiali bidimensionali, c'è più spazio per gli ioni nell'anodo e possono muoversi più rapidamente in esso, migliorando così sia la capacità che la conduttività dell'elettrodo. Hanno inoltre un'ottima resistenza meccanica, quindi gli anodi di silicio-MXene sono anche abbastanza resistenti fino a 450 micron di spessore."

MXene, che sono stati scoperti per la prima volta a Drexel nel 2011, sono realizzati incidendo chimicamente un materiale ceramico stratificato chiamato fase MAX, per rimuovere una serie di strati chimicamente correlati, lasciando una pila di fiocchi bidimensionali. Finora i ricercatori hanno prodotto più di 30 tipi di MXene, ciascuno con un insieme di proprietà leggermente diverso. Il gruppo ne ha selezionati due per realizzare gli anodi di silicio-MXene testati per la carta:carburo di titanio e carbonitruro di titanio. Hanno anche testato gli anodi delle batterie realizzati con nanoparticelle di silicio avvolte in grafene.

Tutti e tre i campioni di anodi hanno mostrato una maggiore capacità agli ioni di litio rispetto agli attuali anodi di grafite o silicio-carbonio utilizzati nelle batterie agli ioni di litio e una conduttività superiore, dell'ordine di 100 a 1, 000 volte superiore agli anodi di silicio convenzionali, quando viene aggiunto MXene.

"La rete continua di nanofogli MXene non solo fornisce una conduttività elettrica sufficiente e spazio libero per accogliere il cambiamento di volume, ma risolve anche bene l'instabilità meccanica di Si, " scrivono. "Pertanto, la combinazione di inchiostro MXene viscoso e Si ad alta capacità qui dimostrata offre una tecnica potente per costruire nanostrutture avanzate con prestazioni eccezionali".

Chuanfang Zhang, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato al Trinity e autore principale dello studio, rileva inoltre che la produzione degli anodi MXene, mediante colata di liquami, è facilmente scalabile per la produzione in serie di anodi di qualsiasi dimensione, il che significa che potrebbero inserirsi nelle batterie che alimentano quasi tutti i nostri dispositivi.

"Considerando che sono già stati segnalati più di 30 MXene, con più previsto di esistere, c'è sicuramente molto spazio per migliorare ulteriormente le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi della batteria utilizzando altri materiali della grande famiglia MXene, " Egli ha detto.