I ricercatori dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato un dispositivo che emette ultrasuoni che porta batterie al litio metallico, o LMB, un passo più vicino alla redditività commerciale. Sebbene il team di ricerca si sia concentrato sugli LMB, il dispositivo può essere utilizzato con qualsiasi batteria, indipendentemente dalla chimica.

Il dispositivo sviluppato dai ricercatori è parte integrante della batteria e funziona emettendo onde ultrasoniche per creare una corrente di circolazione nel liquido elettrolitico che si trova tra l'anodo e il catodo. Ciò impedisce la formazione di escrescenze di litio metallico, chiamati dendriti, durante la carica che portano a prestazioni ridotte e cortocircuiti in LMB.

Il dispositivo è costituito da componenti per smartphone standard, che generano onde sonore a frequenze estremamente alte, che vanno da 100 milioni a 10 miliardi di hertz. Nei telefoni, questi dispositivi vengono utilizzati principalmente per filtrare il segnale cellulare wireless e identificare e filtrare chiamate vocali e dati. I ricercatori li hanno usati invece per generare un flusso all'interno dell'elettrolita della batteria.

"I progressi nella tecnologia degli smartphone sono davvero ciò che ci ha permesso di utilizzare gli ultrasuoni per migliorare la tecnologia delle batterie, " ha detto James Amico, un professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego e l'autore corrispondente dello studio.

Attualmente, Gli LMB non sono stati considerati un'opzione praticabile per alimentare qualsiasi cosa, dai veicoli elettrici all'elettronica perché la loro durata è troppo breve. Ma queste batterie hanno anche il doppio della capacità delle migliori batterie agli ioni di litio di oggi. Per esempio, i veicoli elettrici alimentati al litio metallico avrebbero il doppio della gamma dei veicoli alimentati agli ioni di litio, a parità di peso della batteria.

I ricercatori hanno dimostrato che una batteria al litio metallica dotata del dispositivo potrebbe essere caricata e scaricata per 250 cicli e una batteria agli ioni di litio per più di 2000 cicli. Le batterie sono state caricate dallo zero al 100% in 10 minuti per ogni ciclo.

"Questo lavoro consente di ricaricare rapidamente e batterie ad alta energia tutto in uno, " disse Ping Liu, professore di nanoingegneria alla Jacobs School e altro autore senior del documento. "È emozionante ed efficace."

Il team dettaglia il loro lavoro nel XX numero della rivista Materiale avanzato .

La maggior parte degli sforzi di ricerca sulle batterie si concentra sulla ricerca della chimica perfetta per sviluppare batterie che durano più a lungo e si caricano più velocemente, ha detto Liu. Al contrario, il team dell'UC San Diego ha cercato di risolvere un problema fondamentale:il fatto che nelle batterie metalliche tradizionali, il liquido elettrolitico tra il catodo e l'anodo è statico. Di conseguenza, quando la batteria si carica, lo ione litio nell'elettrolita è esaurito, rendendo più probabile che il litio si depositi in modo non uniforme sull'anodo. Questo a sua volta provoca lo sviluppo di strutture aghiformi chiamate dendriti che possono crescere incontrollate dall'anodo verso il catodo, causando il cortocircuito della batteria e persino l'incendio. La ricarica rapida accelera questo fenomeno.

Propagando le onde ultrasoniche attraverso la batteria, il dispositivo fa fluire l'elettrolita, reintegrando il litio nell'elettrolita e rendendo più probabile che il litio si formi in modo uniforme, depositi densi sull'anodo durante la carica.

La parte più difficile del processo è stata la progettazione del dispositivo, disse An Huang, il primo autore del documento e un dottorato di ricerca. studente in scienze dei materiali alla UC San Diego. La sfida era lavorare su scala estremamente ridotta, comprendere i fenomeni fisici coinvolti e trovare un modo efficace per integrare il dispositivo all'interno della batteria.

"Il nostro prossimo passo sarà quello di integrare questa tecnologia nelle batterie commerciali agli ioni di litio, " disse Haodong Liu, il coautore del documento e un ricercatore post-dottorato in nanoingegneria presso la Jacobs School.