(Phys.org)—Uno dei maggiori problemi che affliggono l'alta energia, le batterie al litio-metallo sono dendriti, che si formano quando parte del litio dall'elettrodo inizia a ramificarsi all'esterno dell'elettrodo e nell'elettrolita, provocando cortocircuiti. Per controllare la crescita dei dendriti, i ricercatori usano separatori a membrana per cercare di contenere il litio, ma finora nessun materiale separatore si è dimostrato ideale:i separatori ceramici sono fragili e formano crepe, i separatori di polimeri sono meccanicamente deboli, ed efficaci separatori di nanofibre sono stati finora molto difficili da fabbricare.

Ora in un nuovo studio pubblicato su Nano lettere , Xiaoming Hao et al. potrebbe aver trovato un materiale separatore che sembra avere tutte le proprietà giuste per realizzare una batteria a prova di dendrite. I ricercatori hanno assemblato membrane in nanofibra ultraresistenti realizzate con un tipo di microfibra polimerica chiamata Zylon (o PBO). Poiché lo Zylon è leggero e persino più resistente del Kevlar, è stato utilizzato in diverse applicazioni high-tech, compresi i rover marziani della NASA, prototipi di ascensori spaziali, e attrezzature sportive come snowboard e racchette da tennis.

Qui i ricercatori hanno dimostrato che, quando le microfibre di Zylon vengono esfoliate in nanofibre e poi colate in membrane sottili, la combinazione di forza, resistenza elettrica, e l'elevata tolleranza al calore li rendono separatori a membrana eccezionalmente buoni per prevenire la crescita di dendriti nelle batterie al litio.

"Il più grande significato di questo lavoro è che vengono sviluppate membrane nanoporose ultra resistenti da nanofibre di Zylon esfoliate, " coautore Jian Zhu alla Northwestern University di Evanston, Illinois, detto Phys.org . "Queste membrane possono fungere da separatori di batterie ad alte prestazioni per sopprimere i dendriti di litio e tollerare condizioni estreme, come l'alta temperatura."

Rispetto a uno degli attuali separatori di batterie all'avanguardia, Celgard 2400, la nuova membrana in nanofibra presenta vantaggi in diversi settori. Dopo 230 ore di utilizzo di una batteria con Celgard 2400, la superficie dell'elettrodo appare muschiosa con crescita di litio dendritico, mentre una superficie dell'elettrodo con la nuova membrana in nanofibra rimane liscia anche dopo 700 ore. Questo divieto di formazione di dendriti si traduce in vantaggi in termini di prestazioni, compresa una maggiore stabilità a lungo termine e una maggiore efficienza. Le nuove membrane in nanofibra sono anche più resistenti al calore, quindi mentre il Celgard 2400 inizia a fondere a circa 125° causando il guasto della batteria, le batterie con le nuove membrane continuano a funzionare fino a 185°, il punto in cui l'elettrolita si decompone.

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di esplorare strategie per la produzione di massa a basso costo delle membrane di nanofibre su scala industriale.

"Ci sono diverse direzioni per questo settore in futuro, " Zhu ha detto. "Una priorità è che stiamo cercando metodi di sintesi alternativi con costi inferiori e più rispettosi dell'ambiente per la preparazione di nanofibre di Zylon (PBO). Il nostro obiettivo è rendere queste membrane sufficientemente economiche da essere più attraenti per i partner industriali. Un'altra direzione è l'applicazione di queste membrane in altri sistemi di batterie che potrebbero comportare la formazione di dendriti".

Questi sistemi includono batterie a base di zolfo, sodio, o alluminio, così come i supercondensatori. Grazie alle loro eccezionali proprietà, le nanofibre potrebbero essere utilizzate anche per rafforzare la forza degli idrogel, aerogel, e vari materiali compositi.

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