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  • Sollevare il coperchio delle batterie al silicio

    (Phys.org) — Risolvere il mistero di ciò che accade all'interno delle batterie quando il silicio entra in contatto con il litio potrebbe accelerare la commercializzazione delle batterie ad alta capacità di prossima generazione, per l'uso in telefoni cellulari e altre applicazioni.

    Le batterie di nuova generazione a base di silicio si sono avvicinate di un passo alla realtà commerciale, dopo che il mistero che circonda ciò che sta accadendo all'interno delle batterie quando il silicio entra in contatto con il litio è stato compreso con dettagli senza precedenti. La tecnologia a base di silicio amplierebbe notevolmente la capacità delle batterie utilizzate nei telefoni cellulari, veicoli elettrici e altre applicazioni.

    Utilizzando una combinazione di nanotecnologie e tecniche di risonanza magnetica nucleare (NMR), i ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema di sondaggio che offre una visione di ciò che sta accadendo all'interno delle batterie a livello atomico, consentendo un maggiore controllo sulle proprietà dei materiali.

    Il silicio è stato proposto come sostituto del carbonio negli anodi delle batterie (elettrodi negativi) negli ultimi 20 anni, poiché ha una capacità di stoccaggio circa dieci volte superiore a quella del carbonio. Però, la difficoltà nella gestione delle proprietà del silicio ha impedito l'applicazione della tecnologia su larga scala.

    Il problema principale con l'utilizzo del silicio in una batteria agli ioni di litio è che gli atomi di silicio assorbono gli atomi di litio, e il silicio si espande fino a tre volte di volume, degradare la batteria. Sebbene il controllo di questa espansione sia diventato più facile nell'ultimo decennio, la mancanza di comprensione di ciò che sta accadendo all'interno delle batterie e di ciò che regola le reazioni ha continuato a trattenere le batterie al silicio.

    I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno sviluppato un nuovo metodo per sondare le batterie al silicio e hanno determinato le cause dell'espansione. I risultati sono riportati nell'edizione del 3 febbraio della rivista Comunicazioni sulla natura .

    "La sfida più basilare per fornire batterie così ad alta capacità è capire le reazioni che avvengono al loro interno, ", ha affermato l'autore principale, il dott. Ken Ogata del Dipartimento di Ingegneria.

    Utilizzando fili su scala nanometrica realizzati con tecniche di silicio e NMR, i ricercatori hanno sviluppato un robusto sistema modello in grado di accogliere l'espansione del silicio su più cicli, e lo ha integrato con tecniche di sondaggio a corto raggio che rivelano cosa sta succedendo all'interno della batteria a livello atomico. Il team ha scoperto che le reazioni procedono con interazioni di varie dimensioni di reti e cluster di silicio, energetica di cui in parte governano il percorso della reazione.

    Utilizzando queste tecniche combinate, i ricercatori sono stati in grado di sviluppare una "mappa" di come il silicio si trasforma quando viene messo a contatto con il litio in una batteria. Le intuizioni aperte dalla tecnologia stimoleranno ulteriori sviluppi delle batterie al silicio, poiché sarà più facile per gli ingegneri controllarne le proprietà.

    "L'utilizzo di questa tecnica contribuirà a rendere la progettazione della batteria molto più sistematica, e meno tentativi ed errori, " ha detto il dottor Ogata. "Le batterie a base di nanofili accoppiate con il sistema NMR ci hanno permesso di seguire la cinetica di reazione su più cicli con varie strategie di ciclo. È importante sottolineare che le intuizioni raggiunte dalla nuova tecnologia sono rilevanti per gli attuali anodi compositi silicio-carbonio all'avanguardia e porteranno a un ulteriore sviluppo degli anodi".

    Questa versatile tecnologia basata su nanofili può essere applicata ad altri sistemi di batterie come batterie agli ioni di litio a base di stagno e germanio e batterie agli ioni di sodio, e gli studi sono attualmente in corso con la spettroscopia NMR in un'ampia varietà di regimi elettrochimici.


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