Questa micrografia elettronica a scansione mostra nanoparticelle di silicio rivestite di carbonio sulla superficie dei granuli compositi utilizzati per formare il nuovo anodo. Credito:per gentile concessione di Gleb Yushin
Una nuova struttura anodica ad alte prestazioni basata su materiali nanocompositi silicio-carbonio potrebbe migliorare significativamente le prestazioni delle batterie agli ioni di litio utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni, dai veicoli ibridi all'elettronica portatile.
Prodotte con una tecnica di autoassemblaggio "bottom-up", la nuova struttura sfrutta la nanotecnologia per mettere a punto le proprietà dei suoi materiali, affrontare le carenze dei precedenti anodi di batterie a base di silicio. Il semplice, La tecnica di fabbricazione a basso costo è stata progettata per essere facilmente ampliata e compatibile con la produzione di batterie esistente.
I dettagli del nuovo approccio all'autoassemblaggio sono stati pubblicati online sulla rivista Materiali della natura il 14 marzo.
"Lo sviluppo di un nuovo approccio alla produzione di particelle gerarchiche di anodo o catodo con proprietà controllate apre le porte a molte nuove direzioni per la tecnologia delle batterie agli ioni di litio, " ha detto Gleb Yushin, un assistente professore presso la School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Questo è un passo significativo verso la produzione commerciale di materiali anodici a base di silicio per batterie agli ioni di litio".
Le batterie popolari e leggere funzionano trasferendo ioni di litio tra due elettrodi - un catodo e un anodo - attraverso un elettrolita liquido. Più efficientemente gli ioni di litio possono entrare nei due elettrodi durante i cicli di carica e scarica, maggiore sarà la capacità della batteria.
Le batterie agli ioni di litio esistenti si basano su anodi in grafite, una forma di carbonio. Gli anodi a base di silicio offrono teoricamente un miglioramento della capacità di dieci volte rispetto alla grafite, ma gli anodi a base di silicio non sono stati finora abbastanza stabili per l'uso pratico.
Gli anodi di grafite utilizzano particelle di dimensioni comprese tra 15 e 20 micron. Se particelle di silicio di quelle dimensioni vengono semplicemente sostituite alla grafite, espansione e contrazione mentre gli ioni di litio entrano ed escono dal silicio creano crepe che causano rapidamente il guasto dell'anodo.
Il nuovo materiale nanocomposito risolve il problema del degrado, potenzialmente consentendo ai progettisti di batterie di sfruttare i vantaggi in termini di capacità del silicio. Ciò potrebbe facilitare una maggiore potenza in uscita da una determinata dimensione della batteria o consentire a una batteria più piccola di produrre la quantità di energia richiesta.
Questo schema mostra un granulo nanocomposito silicio-carbonio formato attraverso un processo di assemblaggio gerarchico dal basso verso l'alto. Le particelle di nerofumo ricotte sono rivestite da nanoparticelle di silicio e quindi assemblate in sfere rigide con canali interni aperti e interconnessi. Credito:per gentile concessione di Gleb Yushin
"Su scala nanometrica, possiamo mettere a punto le proprietà dei materiali con una precisione molto migliore rispetto alle scale di dimensioni tradizionali, " ha detto Yushin. "Questo è un esempio di dove avere tecniche di fabbricazione su scala nanometrica porta a materiali migliori".
Le misurazioni elettriche dei nuovi anodi compositi in piccole pile a bottone hanno mostrato che avevano una capacità più di cinque volte maggiore della capacità teorica della grafite.
La fabbricazione dell'anodo composito inizia con la formazione di strutture ramificate altamente conduttive - simili ai rami di un albero - realizzate con nanoparticelle di nerofumo ricotte in un forno tubolare ad alta temperatura. Nanosfere di silicio con diametri inferiori a 30 nanometri vengono quindi formate all'interno delle strutture di carbonio utilizzando un processo di deposizione chimica da vapore. Le strutture composite silicio-carbonio assomigliano a "mele appese a un albero".
Usando il carbonio grafitico come legante elettricamente conduttivo, i compositi silicio-carbonio vengono poi autoassemblati in sfere rigide che hanno aperto, canali interni dei pori interconnessi. Le sfere, formati in dimensioni che vanno da 10 a 30 micron, sono usati per formare anodi di batterie. La dimensione relativamente grande della polvere composita - mille volte più grande delle singole nanoparticelle di silicio - consente una facile lavorazione della polvere per la fabbricazione dell'anodo.
I canali interni nelle sfere silicio-carbonio servono a due scopi. Ammettono l'elettrolita liquido per consentire un rapido ingresso di ioni di litio per una rapida ricarica della batteria, e forniscono lo spazio per accogliere l'espansione e la contrazione del silicio senza rompere l'anodo. I canali interni e le particelle su scala nanometrica forniscono anche brevi percorsi di diffusione del litio nell'anodo, potenziamento delle caratteristiche di potenza della batteria.
La dimensione delle particelle di silicio è controllata dalla durata del processo di deposizione chimica da vapore e dalla pressione applicata al sistema di deposizione. La dimensione dei rami della nanostruttura di carbonio e la dimensione delle sfere di silicio determinano la dimensione dei pori nel composito.
La produzione dei compositi silicio-carbonio potrebbe essere ampliata come un processo continuo suscettibile di produzione di polveri ad altissimo volume, ha detto Yushin. Poiché le sfere composite finali sono relativamente grandi quando vengono fabbricate in anodi, la tecnica di autoassemblaggio evita i potenziali rischi per la salute derivanti dalla manipolazione di polveri su scala nanometrica, Ha aggiunto.
Una volta fabbricato, gli anodi nanocompositi verrebbero utilizzati nelle batterie proprio come le strutture di grafite convenzionali. Ciò consentirebbe ai produttori di batterie di adottare il nuovo materiale dell'anodo senza apportare cambiamenti drammatici nei processi di produzione.
Finora, i ricercatori hanno testato il nuovo anodo attraverso più di cento cicli di carica-scarica. Yushin crede che il materiale rimarrebbe stabile per migliaia di cicli perché nessun meccanismo di degradazione è diventato evidente.
"Se questa tecnologia può offrire un costo inferiore in base alla capacità, o più leggero rispetto alle tecniche attuali, questo aiuterà a far avanzare il mercato delle batterie al litio, " ha detto. "Se siamo in grado di produrre batterie meno costose che durano a lungo, questo potrebbe anche facilitare l'adozione di molte tecnologie "verdi", come veicoli elettrici o celle solari".
