I veicoli elettrici stanno guadagnando popolarità, ma il loro lungo tempo di ricarica è una significativa detrazione per i potenziali clienti. Mentre un tipico SUV con motore a combustione può percorrere 300 miglia con un rifornimento di cinque minuti, un veicolo elettrico all'avanguardia impiega circa un'ora per immagazzinare energia sufficiente per percorrere la stessa distanza. La tecnologia per una batteria agli ioni di litio ad alta capacità che si carica rapidamente e funziona in modo efficiente è ancora un obiettivo non realizzato, ma ora i ricercatori sono più vicini che mai.

Un team internazionale di ricercatori ha pubblicato i dettagli di un materiale per elettrodi ingegnerizzato che consente batterie così avanzate l'8 ottobre in Scienza.

"La combinazione di alta energia, alta percentuale, e il lungo ciclo di vita è il Santo Graal della ricerca sulle batterie, che è determinato da uno dei componenti chiave della batteria:i materiali degli elettrodi, " disse Hengxing Ji, professore all'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC). "Il nostro obiettivo è cercare un materiale per elettrodi che possa intaccare le metriche delle prestazioni dalla ricerca di laboratorio e possa mantenere la promessa di resistere alle tecniche e ai requisiti di produzione industriale".

L'energia entra ed esce dalla batteria tramite reazioni elettrochimiche negli elettrodi, un trasferimento di ioni di litio così efficiente ed efficace è della massima importanza, secondo il primo autore Hongchang Jin di USTC, soprattutto nel trasferire l'energia dalla batteria al dispositivo tramite l'anodo.

I ricercatori si sono rivolti al fosforo nero, un materiale che è stato considerato per l'uso negli elettrodi prima ma viene solitamente abbandonato a causa della sua tendenza a deformarsi lungo i suoi bordi stratificati, rendendo il trasferimento degli ioni di litio profondamente inefficiente e rendendo un materiale di qualità inferiore. Combinando il fosforo nero con la grafite, i legami chimici tra questi due materiali si stabilizzano e prevengono i problematici cambi di spigolo.

Il team ha anche affrontato un altro problema che ostacola il materiale:gli elettroliti possono rompersi in pezzi meno conduttivi e accumularsi sulla superficie dell'elettrodo, inibendo il trasferimento di ioni di litio nel materiale dell'elettrodo, come polvere che oscura la luce attraverso il vetro. Il team ha applicato un sottile rivestimento in gel polimerico ai materiali degli elettrodi e ha rafforzato il percorso di trasporto degli ioni di litio, prevenire efficacemente il problema.

"Il materiale dell'anodo composito ha ripristinato l'80% della sua piena capacità in meno di 10 minuti e mostra una vita operativa di 2000 cicli a temperatura ambiente, misurata in condizioni compatibili con i processi di fabbricazione industriale, " ha detto il co-primo autore Sen Xin, professore dell'Istituto di Chimica dell'Accademia Cinese delle Scienze. "Se è possibile ottenere una produzione scalabile, questo materiale può fornire un'alternativa, anodo di grafite aggiornato, e spostarci verso una batteria agli ioni di litio con una densità di energia di oltre 350 watt/ora per chilogrammo e capacità di ricarica rapida. La corretta proiezione dei parametri di cui sopra sul veicolo elettrico aumenterà significativamente la sua competitività nei confronti delle auto a carburante".

I 350 watt/ora per chilogrammo descrivono la capacità energetica della batteria:un veicolo elettrico con una tale batteria potrebbe percorrere 600 miglia con una singola carica. Per confronto, la Tesla Model S in commercio può percorrere 400 miglia con una sola carica.

Con questa nuova tecnologia, Ji ha affermato che i ricercatori intendono perseguire sia questioni scientifiche fondamentali sul processo di carica-scarica degli ioni di litio sia questioni relative al settore sui modi per ridimensionare la produzione di materiale composito in condizioni più miti.

"Indagheremo su materiali ingegneristici di struttura razionalmente selezionata, ma tenendo conto del prezzo e della praticità per ottenere prestazioni attraenti, " disse Ji.