Chiunque possieda uno smartphone da oltre un anno è molto probabilmente consapevole del fatto che la sua batteria integrata agli ioni di litio (Li) non mantiene la stessa carica di quando il dispositivo era nuovo. Il degrado delle batterie agli ioni di litio è un problema serio che limita notevolmente la vita utile dei dispositivi elettronici portatili, indirettamente causando enormi quantità di inquinamento e perdite economiche. In aggiunta a questo, il fatto che le batterie agli ioni di litio non siano molto durevoli è un enorme ostacolo per il mercato dei veicoli elettrici e della raccolta di energia rinnovabile. Considerata la gravità di questi problemi, non sorprende che i ricercatori stiano attivamente cercando modi per migliorare i design all'avanguardia delle batterie agli ioni di litio.

Una delle principali cause del calo di capacità nel tempo nelle batterie agli ioni di litio è il degrado degli anodi di grafite ampiamente utilizzati, i terminali negativi delle batterie. L'anodo, insieme al catodo (o al terminale positivo) e all'elettrolita (o al mezzo che trasporta la carica tra due terminali), fornire un ambiente in cui possono avvenire le reazioni elettrochimiche per la carica e la scarica della batteria. Però, la grafite richiede un legante per evitare che si sfaldi con l'uso. Il legante più utilizzato oggi, poli(fluoruro di vinilidene) (PVDF), presenta una serie di inconvenienti che lo rendono tutt'altro che un materiale ideale.

Per affrontare questi problemi, un team di ricercatori del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) sta studiando un nuovo tipo di legante costituito da un copolimero bis-imino-acenaphthenequinone-paraphenylene (BP). Il loro ultimo studio, pubblicato in Materiali energetici applicati ACS , è stato guidato dal professor Noriyoshi Matsumi e ha coinvolto anche il professor Tatsuo Kaneko, Docente senior Rajashekar Badam, dottorato di ricerca studente Agman Gupta, e l'ex borsista postdottorato Aniruddha Nag.

Così, in che cosa il copolimero BP supera il convenzionale legante PVDF per anodi di grafite? Primo, il legante BP offre stabilità meccanica e aderenza all'anodo significativamente migliori. Ciò deriva in parte dalle cosiddette interazioni π–π tra i gruppi bis-immino-acenaftenechinone e grafite, e anche dalla buona aderenza dei leganti del copolimero al collettore di corrente in rame della batteria. In secondo luogo, non solo il copolimero BP è molto più conduttivo del PVDF, forma anche un'interfaccia elettrolitica solida conduttiva più sottile con meno resistenza. In terzo luogo, il copolimero BP non reagisce facilmente con l'elettrolita, che impedisce anche notevolmente il suo degrado.

Tutti questi vantaggi combinati hanno portato ad alcuni seri miglioramenti delle prestazioni, come hanno dimostrato i ricercatori attraverso misurazioni sperimentali. "Mentre una semicella che utilizzava PVDF come legante mostrava solo il 65% della sua capacità originale dopo circa 500 cicli di carica-scarica, la semicella che utilizzava il copolimero BP come legante ha mostrato una ritenzione di capacità del 95% dopo oltre 1700 tali cicli, " evidenzia il Prof. Matsumi. Anche le semicelle a base di copolimero BP hanno mostrato un'efficienza coulombica molto elevata e stabile, una misura che confronta la quantità di carica che scorre dentro e fuori dalla cella in un dato ciclo; questo è anche indicativo della durata a lungo termine della batteria. Le immagini dei leganti scattate con un microscopio elettronico a scansione prima e dopo il ciclo hanno rivelato che solo piccole crepe si sono formate sul copolimero BP, mentre sul PVDF si erano già formate grandi crepe in meno di un terzo del numero totale di cicli.

I risultati teorici e sperimentali di questo studio apriranno la strada allo sviluppo di batterie agli ioni di litio di lunga durata. A sua volta, ciò potrebbe avere conseguenze economiche e ambientali di vasta portata, come spiega il prof. Matsumi:"La realizzazione di batterie durevoli aiuterà nello sviluppo di prodotti più affidabili per un uso a lungo termine. Ciò incoraggerà i consumatori ad acquistare beni basati su batterie più costosi come i veicoli elettrici, che sarà utilizzato per molti anni." Osserva inoltre che le batterie durevoli sarebbero una buona notizia per coloro che fanno affidamento su organi artificiali, come i pazienti con determinate malattie cardiache. Certo, anche la popolazione generale ne trarrebbe beneficio, considerando quanti smartphone, compresse, e i laptop vengono utilizzati e ricaricati ogni giorno.