Il silicio è il secondo elemento più abbondante sulla terra, costituendo ben il 27,7% per cento della crosta terrestre. Oltre alla sua capacità di creare spiagge sabbiose e vetri trasparenti, il silicio ha anche il potenziale per creare batterie agli ioni di metallo altamente efficienti.

In un mondo in cui i dispositivi di accumulo di energia alternativa come le batterie agli ioni di litio stanno prendendo piede, è necessario sfruttare l'eccellente capacità energetica specifica del silicio come materiale per elettrodi. L'applicazione commerciale di materiali per elettrodi a base di silicio è spesso ostacolata a causa di due ragioni principali:1) mancanza di stabilità meccanica derivante dall'espansione incontrollata del volume durante la litiazione, il processo di combinazione con uno ione di litio e 2) rapido sbiadimento dell'energia causato da la formazione di un'interfaccia instabile a elettrodo solido (SEI).

Nel corso degli anni gli scienziati hanno sviluppato vari elettrodi negativi avanzati a base di silicio o materiali anodici per superare i suddetti problemi. I più importanti tra loro sono i nanomateriali di silicio. Tuttavia, i nanomateriali di silicio presentano alcuni demeriti, come un grande divario tra domanda e offerta, processo di sintesi difficile e costoso e, soprattutto, una minaccia di rapido esaurimento della batteria.

Ora, un gruppo di ricercatori del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) guidato dal Prof. Noriyoshi Matsumi propone una soluzione a questi problemi che affliggono le micronparticelle di silicio (SiMP). Nel loro studio pubblicato su Journal of Materials Chemistry A il 18 luglio 2022, il team ha riportato un approccio olistico alla sintesi di nuovi SiMP altamente resilienti costituiti da silicio innestato con vetri neri (ossicarburo di silicio) come materiale anodico per batterie agli ioni di litio. Il team di ricerca comprendeva Ravi Nandan, un ricercatore, Noriyuki Takamori, uno studente del corso di dottorato, Koichi Higashimine, uno specialista tecnico, e il dottor Rajashekar Badam, un ex docente senior presso JAIST.

"Le nanoparticelle di silicio potrebbero fornire una maggiore superficie effettiva, ma ciò ha i suoi svantaggi come un maggiore consumo di elettrolita e una scarsa efficienza coulombica iniziale dopo alcuni cicli di carica e scarica. I SiMP sono i più appropriati, a basso costo e facilmente disponibili alternative, soprattutto se combinate con materiali che hanno proprietà strutturali eccezionali, come i vetri neri all'ossicarburo di silicio. Il nostro materiale non è solo ad alte prestazioni, ma favorisce anche opportunità di scala", ha spiegato il Prof. Matsumi quando gli è stato chiesto il razionale alla base dello studio.

Il team ha progettato un materiale di tipo core-shell in cui il nucleo era costituito da SiMP rivestito con uno strato di carbonio e quindi i vetri neri di ossicarburo di silicio sono stati innestati come strato di shell. I materiali preparati sono stati quindi utilizzati in una configurazione a semicella anodica per testare la loro capacità di immagazzinare in modo reversibile il litio sotto diverse finestre potenziali. Questo screening ha mostrato che il materiale ha una grande capacità di diffusione del litio, una ridotta resistenza interna e un'espansione volumetrica complessiva. Le proprietà elettrochimiche superiori di questo nuovo materiale sono state ulteriormente stabilite dalla ritenzione del 99,4% della capacità energetica anche dopo 775 cicli di carica e scarica. Oltre alle superlative capacità di accumulo di energia, il materiale ha mostrato anche una grande stabilità meccanica durante tutto il processo di test.

I risultati indicano fortemente la superiorità dei nuovi materiali anodici attivi basati su SiMP. In effetti, questi materiali hanno aperto nuove strade per l'applicazione del silicio nelle batterie secondarie agli ioni di litio di prossima generazione. La capacità di upscaling di questo processo di sintesi può contribuire a colmare il divario tra la ricerca di laboratorio e le applicazioni industriali nel campo dell'accumulo di energia. Ciò è particolarmente importante per la produzione di veicoli elettrici a basso costo, in grado di ridurre sensibilmente le emissioni di carbonio. Il Prof. Matsumi evidenzia questa significativa applicazione del loro studio dicendo che "la nostra metodologia offre una via efficace per lo sviluppo di materiali anodici ad alte prestazioni per batterie agli ioni di litio ad alta efficienza energetica, che è un elemento essenziale per creare un ambiente sostenibile e a basso consumo energetico. domani carbonio". + Esplora ulteriormente

Una metodologia semplice per la sintesi di nuovi materiali anodici a base di nanoparticelle β-SiC per batterie agli ioni di litio