Le batterie agli ioni di litio sono la principale fonte di alimentazione ricaricabile per molti dispositivi portatili e veicoli elettrici, ma il loro uso è limitato, perché non forniscono un'elevata potenza e allo stesso tempo consentono l'accumulo di energia reversibile. Ricerca segnalata in Recensioni di fisica applicata mira a offrire una soluzione mostrando come l'inclusione di cariche conduttive migliora le prestazioni della batteria.

Il design ottimale della batteria prevede strutture di elettrodi spessi. Questo aumenta la densità di energia, ma il design soffre di uno scarso trasporto di ioni di litio, un passaggio chiave nel funzionamento di questi elettrodi. Sono state sperimentate varie tecniche di miglioramento, compresa la costruzione di canali allineati verticalmente o la creazione di pori delle dimensioni adeguate per facilitare il trasporto degli ioni di litio.

Un altro approccio prevede l'uso di cariche a base di carbonio che conducono elettricità. Questo studio ha preso in considerazione tre tipi di riempitivi:nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), nanofogli di grafene, e una sostanza nota come Super P, un tipo di particelle di nerofumo prodotte durante l'ossidazione dei precursori del petrolio. Super P è il riempitivo conduttivo più comunemente usato nelle batterie agli ioni di litio.

I riempitivi sono stati aggiunti a un tipo di materiale per elettrodi noto come NCM che contiene nichel, cobalto, e manganese. I ricercatori hanno esaminato i compositi risultanti con la microscopia elettronica a scansione. È stato scoperto che le particelle Super P e NCM sono disposte in una modalità di contatto punto-punto.

Gli SWCNT erano, però, avvolto intorno alle particelle di NCM, formando un rivestimento conduttivo. Inoltre, reti di SWCNT interconnessi sono state osservate negli spazi tra le particelle NCM. Anche i nanofogli di grafene sono stati avvolti attorno alle particelle dell'elettrodo NCM, ma non in modo uniforme come lo erano gli SWCNT.

Gli SWCNT sono risultati essere il miglior riempitivo conduttivo per gli elettrodi NCM.

"La conduttività misurata è coerente con la teoria della percolazione... Quando un riempitivo elettricamente conduttivo viene aggiunto a una matrice isolante, aumenti significativi della conduttività si verificheranno una volta formata la prima via conduttiva attraverso il composito, " disse Guihua Yu, uno degli autori.

Poiché la percolazione richiede un percorso completo attraverso il riempitivo, è necessaria una quantità sufficiente di riempitivo conduttivo. Perciò, i ricercatori hanno preso in considerazione varie quantità di riempitivo e hanno scoperto che la combinazione di elettrodi NCM con appena lo 0,16% in peso di SWCNT produceva una buona conduttività elettrica. Per ottenere gli stessi risultati erano necessarie quantità maggiori di Super P e grafene.

I ricercatori hanno utilizzato diverse tecniche spettroscopiche, compresa la spettroscopia Raman e di assorbimento dei raggi X, per studiare i compositi risultanti.

"Questo è uno sforzo collaborativo del Center for Mesoscale Transport Properties, un Energy Frontier Research Center supportato dal programma U.S. Department of Energy Basic Energy Sciences. I nostri risultati suggeriscono che l'integrazione di SWCNT nell'elettrodo NCM facilita il trasferimento di ioni e carica. Ciò porterà a un maggiore utilizzo elettrochimico, soprattutto ad alti tassi di scarico, " disse Yu.