Il processo di sviluppo di batterie ricaricabili migliori potrebbe essere nuvoloso, ma c'è un rivestimento in allumina.

Uno strato sottile di ossido di metallo applicato a catodi comuni dagli ingegneri della Brown School of Engineering della Rice University ha rivelato nuovi fenomeni che potrebbero portare a batterie più adatte alle auto elettriche e a un accumulo di energia off-grid più robusto.

Lo studio dell'American Chemical Society's Materiali energetici applicati ACS descrive un meccanismo precedentemente sconosciuto mediante il quale il litio viene intrappolato nelle batterie, limitando così il numero di volte che può essere caricato e scaricato a piena potenza.

Ma questa caratteristica non smorza le speranze che in alcune situazioni, tali batterie potrebbero essere giuste.

Il laboratorio Rice dell'ingegnere chimico e biomolecolare Sibani Lisa Biswal ha trovato un punto debole nelle batterie che, non sfruttando al massimo la loro capacità di stoccaggio, potrebbe fornire cicli costanti e stabili per le applicazioni che ne hanno bisogno.

Biswal ha affermato che le batterie convenzionali agli ioni di litio utilizzano anodi a base di grafite che hanno una capacità inferiore a 400 milliampere/ora per grammo (mAh/g), ma gli anodi di silicio hanno potenzialmente 10 volte quella capacità. Ciò ha un aspetto negativo:il silicio si espande mentre si lega con il litio, sollecitando l'anodo. Rendendo poroso il silicio e limitando la sua capacità a 1, 000 mAh/g, le batterie di prova del team hanno fornito un ciclismo stabile con una capacità ancora eccellente.

"La capacità massima sollecita molto il materiale, quindi questa è una strategia per ottenere capacità senza lo stesso grado di stress, " Biswal ha detto. "1, 000 milliampere per grammo sono ancora un grande salto".

Il team guidato dal borsista postdottorato Anulekha Haridas ha testato il concetto di accoppiare il poroso, anodi di silicio ad alta capacità (al posto della grafite) con catodi di ossido di nichel manganese cobalto (NMC) ad alta tensione. Le batterie agli ioni di litio a cella intera hanno dimostrato una ciclabilità stabile a 1, 000 mAh/g su centinaia di cicli.

Alcuni catodi avevano uno strato di allumina di 3 nanometri (applicato tramite deposizione di strati atomici), e alcuni no. Quelli con il rivestimento in allumina proteggevano il catodo dalla rottura in presenza di acido fluoridrico, che si forma se anche piccole quantità di acqua invadono l'elettrolita liquido. I test hanno mostrato che l'allumina ha anche accelerato la velocità di ricarica della batteria, riducendo il numero di volte che può essere caricato e scaricato.

Sembra che ci sia un'ampia intrappolamento a causa del trasporto veloce del litio attraverso l'allumina, ha detto Harida. I ricercatori sapevano già dei possibili modi in cui gli anodi di silicio intrappolano il litio, rendendolo non disponibile per alimentare i dispositivi, ma ha detto che questo è il primo rapporto dell'allumina stessa che assorbe il litio fino a saturazione. A quel punto, lei disse, lo strato diventa un catalizzatore per il trasporto veloce da e verso il catodo.

"Questo meccanismo di intrappolamento del litio protegge efficacemente il catodo aiutando a mantenere una capacità stabile e una densità di energia per le celle piene, " disse Harida.

I coautori sono gli studenti laureati Rice Quan Anh Nguyen e Botao Farren Song, e Rachel Blaser, un ingegnere di ricerca e sviluppo presso Ford Motor Co. Biswal è professore di ingegneria chimica e biomolecolare e di scienza dei materiali e nanoingegneria. Il programma di ricerca dell'Università di Ford ha sostenuto la ricerca.