È possibile creare una batteria agli ioni di litio in grado di caricarsi in pochi minuti ma che funzioni comunque a una capacità elevata, secondo una ricerca del Rensselaer Polytechnic Institute appena pubblicata in Comunicazioni sulla natura . Questo sviluppo ha il potenziale per migliorare le prestazioni della batteria per l'elettronica di consumo, stoccaggio della rete solare, e veicoli elettrici.

Una batteria agli ioni di litio si carica e si scarica mentre gli ioni di litio si muovono tra due elettrodi, chiamato anodo e catodo. In una tradizionale batteria agli ioni di litio, l'anodo è in grafite, mentre il catodo è composto da ossido di litio cobalto.

Questi materiali si comportano bene insieme, ecco perché le batterie agli ioni di litio sono diventate sempre più popolari, ma i ricercatori di Rensselaer ritengono che la funzione possa essere ulteriormente potenziata.

"Il modo per migliorare le batterie è migliorare i materiali utilizzati per gli elettrodi, " ha detto Nikhil Koratkar, professore di meccanica, aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer, e corrispondente autore dell'articolo. "Quello che stiamo cercando di fare è rendere la tecnologia agli ioni di litio ancora migliore in termini di prestazioni".

L'ampia ricerca di Koratkar sulla nanotecnologia e sull'accumulo di energia lo ha collocato tra i ricercatori più citati al mondo. In questo lavoro più recente, Koratkar e il suo team hanno migliorato le prestazioni sostituendo l'ossido di cobalto con disolfuro di vanadio (VS ₂ ).

"Ti dà una maggiore densità di energia, perché è leggero. E ti offre una capacità di ricarica più rapida, perché è altamente conduttivo. Da quei punti di vista, siamo stati attratti da questo materiale, " disse Koratkar, che è anche professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.

Eccitazione che circonda il potenziale di VS ₂ è cresciuto negli ultimi anni, ma fino ad ora, Koratkar ha detto, i ricercatori erano stati messi alla prova dalla sua instabilità, una caratteristica che avrebbe portato a una breve durata della batteria. I ricercatori di Rensselaer non solo hanno stabilito il motivo per cui si stava verificando quell'instabilità, ma ha anche sviluppato un modo per combatterlo.

Il gruppo, che comprendeva anche Vincent Meunier, capo del Dipartimento di Fisica, Fisiche applicate, e Astronomia, e altri, determinato che l'inserimento di litio ha causato un'asimmetria nella spaziatura tra gli atomi di vanadio, nota come distorsione di Peierls, che era responsabile della rottura del VS ₂ fiocchi. Hanno scoperto che ricoprendo le scaglie con un rivestimento nanostrato di disolfuro di titanio (TiS ₂ )—un materiale che non distorce Peierls—stabilizzerebbe il VS ₂ fiocchi e migliorare le loro prestazioni all'interno della batteria.

"Questo era nuovo. La gente non si era resa conto che questa era la causa sottostante, " disse Koratkar. "Il TiS ₂ il rivestimento funge da strato tampone. Tiene il VS ₂ materiale insieme, fornendo supporto meccanico."

Una volta risolto il problema, il team ha scoperto che il VS ₂ -TiS ₂ gli elettrodi potrebbero funzionare ad alta capacità specifica, o immagazzinare molta carica per unità di massa. Koratkar ha affermato che le piccole dimensioni e il peso del vanadio e dello zolfo consentono loro di fornire un'elevata capacità e densità di energia. Le loro piccole dimensioni contribuirebbe anche a una batteria compatta.

Quando la ricarica è stata eseguita più rapidamente, Koratkar ha detto, la capacità non è diminuita in modo così significativo come spesso accade con altri elettrodi. Gli elettrodi sono stati in grado di mantenere una capacità ragionevole perché, a differenza dell'ossido di cobalto, il VS ₂ -TiS ₂ il materiale è elettricamente conduttivo.

Koratkar vede molteplici applicazioni per questa scoperta nel miglioramento delle batterie per auto, alimentazione per l'elettronica portatile, e lo stoccaggio di energia solare dove l'elevata capacità è importante, ma anche una maggiore velocità di ricarica sarebbe interessante.