I ricercatori hanno identificato un gruppo di materiali che potrebbero essere utilizzati per realizzare batterie di potenza ancora maggiore. I ricercatori, dell'Università di Cambridge, ha utilizzato materiali con una struttura cristallina complessa e ha scoperto che gli ioni di litio si muovono attraverso di essi a velocità che superano di gran lunga quelli dei materiali tipici degli elettrodi, il che equivale a una batteria che si ricarica molto più velocemente.

Sebbene questi materiali, noti come ossidi di niobio tungsteno, non si traducono in densità di energia più elevate se utilizzate a velocità di pedalata tipiche, si danno da fare per le applicazioni di ricarica rapida. Inoltre, la loro struttura fisica e il comportamento chimico offrono ai ricercatori una preziosa visione di come un sicuro, potrebbe essere costruita una batteria di ricarica super veloce, e suggeriscono che la soluzione per le batterie di nuova generazione potrebbe provenire da materiali non convenzionali. I risultati sono riportati sulla rivista Natura .

Molte delle tecnologie che usiamo ogni giorno sono diventate sempre più piccole, più veloce ed economico ogni anno, con la notevole eccezione delle batterie. A parte la possibilità di uno smartphone che si ricarica completamente in pochi minuti, le sfide associate alla realizzazione di una batteria migliore stanno ostacolando l'adozione diffusa di due importanti tecnologie pulite:le auto elettriche e lo stoccaggio su scala di rete per l'energia solare.

"Siamo sempre alla ricerca di materiali con prestazioni della batteria ad alta velocità, che comporterebbe una carica molto più veloce e potrebbe anche fornire un'elevata potenza, " ha detto il dottor Kent Griffith, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Chimica di Cambridge e primo autore dell'articolo.

Nella loro forma più semplice, le batterie sono costituite da tre componenti:un elettrodo positivo, un elettrodo negativo e un elettrolita. Quando una batteria è in carica, gli ioni di litio vengono estratti dall'elettrodo positivo e si spostano attraverso la struttura cristallina e l'elettrolita verso l'elettrodo negativo, dove sono conservati. Più veloce è questo processo, più velocemente la batteria può essere caricata.

Nella ricerca di nuovi materiali per elettrodi, i ricercatori normalmente cercano di rendere le particelle più piccole. "L'idea è che se si riduce la distanza che gli ioni di litio devono percorrere, dovrebbe darti prestazioni più elevate, " ha detto Griffith. "Ma è difficile realizzare una batteria pratica con nanoparticelle:si ottengono molte più reazioni chimiche indesiderate con l'elettrolita, quindi la batteria non dura così a lungo, inoltre è costoso da realizzare."

"Le nanoparticelle possono essere difficili da realizzare, ecco perché stiamo cercando materiali che abbiano intrinsecamente le proprietà che stiamo cercando anche quando vengono utilizzati come particelle di dimensioni relativamente grandi di micron. Ciò significa che non devi passare attraverso un processo complicato per realizzarli, che mantiene bassi i costi, " ha detto la professoressa Clare Grey, anche dal Dipartimento di Chimica e dall'autore senior dell'articolo. "Le nanoparticelle sono anche difficili da usare a livello pratico, in quanto tendono ad essere piuttosto "soffici", quindi è difficile metterli insieme, che è la chiave per la densità di energia volumetrica di una batteria."

Gli ossidi di tungsteno di niobio utilizzati nel lavoro attuale hanno un rigido, struttura aperta che non intrappola il litio inserito, e hanno dimensioni delle particelle maggiori rispetto a molti altri materiali per elettrodi. Griffith ipotizza che il motivo per cui questi materiali non hanno ricevuto attenzione in precedenza sia legato alle loro complesse disposizioni atomiche. Però, suggerisce che la complessità strutturale e la composizione mista di metalli sono le stesse ragioni per cui i materiali mostrano proprietà di trasporto uniche.

"Molti materiali delle batterie si basano sulle stesse strutture a due o tre cristalli, ma questi ossidi di tungsteno di niobio sono fondamentalmente diversi, " disse Griffith. Gli ossidi sono tenuti aperti da "pilastri" di ossigeno, che consente agli ioni di litio di attraversarli in tre dimensioni. "I pilastri dell'ossigeno, o piani di taglio, rendono questi materiali più rigidi rispetto ad altri composti per batterie, affinché, inoltre le loro strutture aperte significano che più ioni di litio possono attraversarle, e molto più rapidamente."

Utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) a gradiente di campo pulsato (PFG), che non si applica facilmente ai materiali degli elettrodi della batteria, i ricercatori hanno misurato il movimento degli ioni di litio attraverso gli ossidi, e hanno scoperto che si muovevano a velocità di diversi ordini di grandezza superiori ai tipici materiali degli elettrodi.

La maggior parte degli elettrodi negativi delle attuali batterie agli ioni di litio sono realizzati in grafite, che ha un'alta densità di energia, ma quando addebitato a tariffe elevate, tende a formare sottili fibre metalliche di litio note come dendriti, che può creare un cortocircuito e provocare l'incendio delle batterie ed eventualmente l'esplosione.

"Nelle applicazioni ad alto tasso, la sicurezza è una preoccupazione più grande che in qualsiasi altra circostanza operativa, " disse Grey. "Questi materiali, e potenzialmente altri come loro, varrebbe sicuramente la pena cercare applicazioni di ricarica rapida in cui è necessaria un'alternativa più sicura alla grafite."

Oltre alle loro elevate velocità di trasporto del litio, anche gli ossidi di niobio tungsteno sono semplici da realizzare. "Molte strutture di nanoparticelle richiedono più passaggi per sintetizzare, e ti ritrovi solo con una piccola quantità di materiale, quindi la scalabilità è un vero problema, " disse Griffith. "Ma questi ossidi sono così facili da produrre, e non richiedono ulteriori prodotti chimici o solventi."

Sebbene gli ossidi abbiano eccellenti velocità di trasporto del litio, portano a una tensione di cella inferiore rispetto ad alcuni materiali degli elettrodi. Però, la tensione operativa è vantaggiosa per la sicurezza e le elevate velocità di trasporto del litio significano che quando si pedala velocemente, la densità energetica pratica (utilizzabile) di questi materiali rimane elevata.

Mentre gli ossidi possono essere adatti solo per determinate applicazioni, Gray dice che l'importante è continuare a cercare nuove sostanze chimiche e nuovi materiali. "I campi ristagnano se non continui a cercare nuove mescole, " dice. "Questi materiali interessanti ci danno una buona idea di come potremmo progettare materiali per elettrodi a più alta velocità".