Batterie convenzionali agli ioni di litio, come quelli ampiamente utilizzati in smartphone e notebook, hanno raggiunto i limiti di prestazione. Il chimico dei materiali Freddy Kleitz della Facoltà di Chimica dell'Università di Vienna e scienziati internazionali hanno sviluppato un nuovo materiale anodico nanostrutturato per batterie agli ioni di litio, che estende la capacità e la durata del ciclo delle batterie. Basato su un ossido di metallo misto mesoporoso in combinazione con grafene, il materiale potrebbe fornire un nuovo approccio su come utilizzare meglio le batterie in dispositivi di grandi dimensioni come veicoli elettrici o ibridi. Lo studio è stato ora pubblicato come storia di copertina dell'attuale numero di Materiali energetici avanzati .

Alta densità di energia, ciclo di vita prolungato e nessun effetto memoria:le batterie agli ioni di litio sono i dispositivi di accumulo di energia più diffusi per i dispositivi mobili nonché portatrici di speranze per l'elettromobilità. I ricercatori sono alla ricerca di nuovi tipi di materiale per elettrodi attivi per spingere le batterie al livello successivo di alte prestazioni e durata, e per renderli più utilizzabili per dispositivi di grandi dimensioni. "I materiali delle batterie agli ioni di litio nanostrutturati potrebbero fornire una buona soluzione, " afferma Freddy Kleitz del Dipartimento di Chimica Inorganica – Materiali Funzionali dell'Università di Vienna, che insieme a Claudio Gerbaldi, capogruppo del Gruppo Materiali Applicati ed Elettrochimica del Politecnico di Torino, Italia, è l'autore principale dello studio.

Il nanocomposito 2-D/3-D a base di un ossido di metallo misto e grafene, sviluppato dai due scienziati e dai loro team, migliora seriamente le prestazioni elettrochimiche delle batterie agli ioni di litio. "Nelle nostre corse di prova, il nuovo materiale degli elettrodi ha fornito una capacità specifica significativamente migliorata con una stabilità del ciclo reversibile senza precedenti su 3, 000 cicli di carica e scarica reversibili anche a regimi di corrente molto elevati fino a 1, 280 milliampere, " afferma il capo del dipartimento Freddy Kleitz. Le batterie agli ioni di litio di oggi perdono le loro prestazioni dopo circa 1, 000 cicli di ricarica.

Nuova ricetta

Spesso esistono anodi convenzionali di materiale di carbonio come la grafite. "Gli ossidi metallici hanno una capacità della batteria migliore rispetto alla grafite, ma sono abbastanza instabili e meno conduttivi, " spiega Kleitz. I ricercatori hanno trovato un modo per sfruttare al meglio le caratteristiche positive di entrambi i composti. Hanno sviluppato una nuova famiglia di materiali elettrodici attivi, a base di un ossido di metallo misto e il grafene altamente conduttivo e stabilizzante, mostrando caratteristiche superiori rispetto a quelle della maggior parte delle nanostrutture e dei compositi di ossido di metallo di transizione.

Come primo passo, basato su una procedura di cottura di nuova concezione, i ricercatori sono stati in grado di miscelare rame e nichel in modo omogeneo e controllato per ottenere il metallo misto. Basandosi sulla nanofusione, un metodo per produrre materiali mesoporosi, hanno creato particelle strutturate di ossido di metallo misto nanoporoso, che grazie alla loro vasta rete di pori hanno un'area di reazione attiva molto elevata per lo scambio con ioni di litio dall'elettrolita della batteria. Gli scienziati hanno quindi applicato una procedura di essiccazione a spruzzo per avvolgere strettamente le particelle di ossido di metallo misto con sottili strati di grafene.

Design semplice ed efficiente

L'utilizzo di batterie agli ioni di litio per la mobilità elettrica è considerato problematico da un punto di vista ambientale, per esempio. a causa della loro produzione ad alta intensità di materie prime. Piccole batterie in grado di immagazzinare quanta più energia possibile, durano il più a lungo possibile e non sono troppo costosi da produrre potrebbero avanzare il loro uso in dispositivi su larga scala. "Rispetto agli approcci esistenti, la nostra strategia di ingegneria innovativa per il nuovo materiale anodico ad alte prestazioni e di lunga durata è semplice ed efficiente. È un processo a base d'acqua e quindi ecologico e pronto per essere applicato a livello industriale, " concludono gli autori dello studio.