I membri dell'Istituto di fisica nucleare D. V. Skobeltsyn e i colleghi della Facoltà di chimica dell'Università statale di Mosca Lomonosov hanno sviluppato un nuovo materiale a base di silicio e germanio che potrebbe aumentare significativamente le caratteristiche specifiche delle batterie agli ioni di litio. I risultati della ricerca sono stati pubblicati nel Journal of Materials Chemistry A .

Le batterie agli ioni di litio sono il tipo più popolare di sistema di accumulo di energia per i moderni dispositivi elettronici. Sono composti da due elettrodi:quello negativo (anodo) e quello positivo (catodo), che sono posti in un recinto ermetico. Lo spazio in mezzo è riempito con un separatore poroso, immerso in una soluzione di elettrolita conduttivo agli ioni di litio. Il separatore previene i cortocircuiti tra gli elettrodi bipolari e fornisce il volume dell'elettrolita, necessario per il trasporto di ioni. La corrente elettrica in un circuito esterno viene generata quando gli ioni di litio estraggono dal materiale dell'anodo e si muovono attraverso l'elettrolita con ulteriore inserimento nel materiale del catodo. Però, la capacità specifica di una batteria agli ioni di litio è in gran parte definita dal numero di ioni di litio che possono essere accettati e trasferiti dai materiali attivi dell'anodo e del catodo.

Gli scienziati hanno sviluppato e studiato un nuovo materiale anodico che consente di aumentare significativamente l'efficienza energetica delle batterie agli ioni di litio. Il materiale è adatto per l'utilizzo in batterie agli ioni di litio sia sfuse che a film sottile.

Il fisico Victor Krivchenko, uno degli autori, dice, "Molta attenzione è attualmente dedicata all'elaborazione di materiali anodici a base di silicio e germanio. Quando si interagisce con gli ioni di litio, questi elementi sono in grado di generare leghe la cui capacità specifica teoricamente supera quella della grafite, il tradizionale materiale anodico utilizzato nelle moderne batterie agli ioni di litio."

Tra tutti i materiali anodici conosciuti, il silicio possiede la più alta capacità gravimetrica al litio, teoricamente raggiungendo fino a 4200 mAh/g. Questo lo rende il materiale più promettente per le batterie con una migliore densità energetica. Il germanio è più costoso e ha una capacità gravimetrica inferiore rispetto al silicio. Però, è meglio condurre la corrente. Inoltre, la diffusione degli ioni di litio all'interno del germanio è di diversi ordini di grandezza più veloce che all'interno del silicio. Queste peculiarità del germanio conferiscono un sostanziale aumento della densità di potenza della batteria senza significative alterazioni di volume.

Il problema principale dei materiali degli elettrodi è che la loro struttura subisce un degrado significativo nel processo ciclico di carica e scarica, con conseguente guasto della batteria. Gli scienziati propongono di risolvere questo problema con materiali nanostrutturati e lo sviluppo di materiali compositi in cui le nanostrutture di carbonio potrebbero essere applicate come matrici stabilizzanti. Come soluzione alternativa potrebbe essere considerata la transizione dalla tradizionale distribuzione bidimensionale a quella tridimensionale di un materiale attivo sulla superficie dell'elettrodo.

Victor Krivchenko dice, "La principale novità del progetto è l'idea di utilizzare una matrice formata da strutture di carbonio cresciute al plasma con un'architettura superficiale molto complessa per l'implementazione di materiali anodici a base di silicio e germanio con proprietà strutturali e funzionali desiderate. Tali strutture sono composte da densi serie di nanopareti simili al grafene, orientato verticalmente alla superficie di un substrato metallico."

Gli scienziati hanno applicato la tecnica del magnetron sputtering, fornito rivestimento omogeneo di superfici nanowall con strati di silicio o germanio da 10 a 50 nm di spessore. Allo stesso tempo, la struttura finale dell'anodo composito potrebbe essere composta da uno o alternati strati di materiale attivo. È stato dimostrato che l'architettura tridimensionale ottenuta fornisce un'elevata capacità specifica e aumenta la stabilità delle caratteristiche specifiche degli anodi a base di silicio e germanio.

Lo scienziato dice, "I risultati della ricerca potrebbero supportare tecnologicamente un'ulteriore elaborazione di materiali elettrodici promettenti per i sistemi di accumulo di energia di prossima generazione. Nell'ambito del progetto, gli scienziati hanno ottenuto risultati di prim'ordine nel campo dell'applicazione di nuovi materiali nanostrutturati, insieme all'elaborazione e allo studio delle loro proprietà elettrochimiche e fisico-chimiche. Gli studi hanno fornito nuovi dati sperimentali relativi al comportamento delle nanostrutture nei sistemi elettrochimici".