Lo stesso materiale che troverai sulla punta di una matita, la grafite, è stato a lungo un componente chiave delle odierne batterie agli ioni di litio. Man mano che la nostra dipendenza da queste batterie aumenta, però, gli elettrodi a base di grafite sono dovuti per un aggiornamento. Per quello, gli scienziati stanno cercando l'elemento al centro della rivoluzione digitale:il silicio.

Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno escogitato un nuovo modo per utilizzare questo ingrediente promettente ma problematico per lo stoccaggio dell'energia. Silicio, utilizzato in chip per computer e molti altri prodotti, è attraente perché può contenere 10 volte la carica elettrica per grammo rispetto alla grafite. Il guaio è, il silicio si espande notevolmente quando incontra il litio, ed è troppo debole per resistere alla pressione della produzione degli elettrodi.

Per affrontare questi problemi, un team guidato dai ricercatori del PNNL Ji-Guang (Jason) Zhang e Xiaolin Li ha sviluppato una nanostruttura unica che limita l'espansione del silicio mentre lo fortifica con il carbonio. Il loro lavoro, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe informare nuovi progetti di materiali per elettrodi per altri tipi di batterie e alla fine contribuire ad aumentare la capacità energetica delle batterie agli ioni di litio nelle auto elettriche, dispositivi elettronici, e altre attrezzature.

Eliminare gli svantaggi del silicio

Una forma conduttiva e stabile di carbonio, la grafite è adatta per imballare gli ioni di litio nell'anodo di una batteria mentre si carica. Il silicio può assorbire più litio della grafite, ma tende a gonfiarsi di circa il 300 percento in volume, provocando la rottura dell'anodo. I ricercatori hanno creato una forma porosa di silicio aggregando piccole particelle di silicio in microsfere di circa 8 micrometri di diametro, all'incirca le dimensioni di un globulo rosso.

"Un materiale solido come la pietra, Per esempio, si rompe se si espande troppo in volume, " disse Zhang. "Ciò che abbiamo creato è più simile a una spugna, dove c'è spazio all'interno per assorbire l'espansione."

L'elettrodo con struttura in silicio poroso mostra una variazione di spessore inferiore al 20 percento mentre accoglie il doppio della carica di un tipico anodo di grafite, lo studio ha trovato. Però, a differenza delle versioni precedenti di silicio poroso, le microsfere hanno anche mostrato una straordinaria resistenza meccanica, grazie a nanotubi di carbonio che fanno assomigliare le sfere a gomitoli di lana.

Microsfere super resistenti

I ricercatori hanno creato la struttura in più fasi, iniziando rivestendo i nanotubi di carbonio con ossido di silicio. Prossimo, i nanotubi sono stati messi in un'emulsione di olio e acqua. Quindi sono stati riscaldati fino all'ebollizione.

"I nanotubi di carbonio rivestiti si condensano in sfere quando l'acqua evapora, " ha detto Li. "Poi abbiamo usato alluminio e calore più elevato per convertire l'ossido di silicio in silicio, seguita da immersione in acqua e acido per rimuovere i sottoprodotti." Ciò che emerge dal processo è una polvere composta dalle minuscole particelle di silicio sulla superficie dei nanotubi di carbonio.

La resistenza delle sfere di silicio poroso è stata testata utilizzando la sonda di un microscopio a forza atomica. Gli autori hanno scoperto che uno dei gomitoli di filato di dimensioni nanometriche "può cedere leggermente e perdere un po' di porosità sotto una forza di compressione molto elevata, ma non si rompe".

Questo è di buon auspicio per la commercializzazione, perché i materiali anodici devono essere in grado di sopportare un'elevata compressione nei rulli durante la produzione. Il prossimo passo, Zhang ha detto, è sviluppare metodi più scalabili ed economici per realizzare le microsfere di silicio in modo che possano un giorno farsi strada nella prossima generazione di batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni.