Le batterie potrebbero aumentare la capacità di alimentazione a seguito di una nuova scoperta dei ricercatori del MIT. Hanno scoperto che l'uso di nanotubi di carbonio per uno degli elettrodi della batteria ha prodotto un aumento significativo - fino a dieci volte - della quantità di energia che potrebbe fornire da un dato peso di materiale, rispetto a una normale batteria agli ioni di litio. Tali elettrodi potrebbero trovare applicazioni in piccoli dispositivi portatili, e con ulteriori ricerche potrebbe anche portare a batterie migliorate per batterie più grandi, applicazioni più affamate di energia.
Per produrre il nuovo e potente materiale per elettrodi, il team ha utilizzato un metodo di fabbricazione strato per strato, in cui un materiale di base viene alternativamente immerso in soluzioni contenenti nanotubi di carbonio che sono stati trattati con semplici composti organici che conferiscono loro una carica netta positiva o negativa. Quando questi strati si alternano su una superficie, si legano strettamente insieme a causa delle cariche complementari, fare un film stabile e durevole.
Le scoperte, da un team guidato dal Professore Associato di Ingegneria Meccanica e Scienza e Ingegneria dei Materiali Yang Shao-Horn, in collaborazione con la Bayer Chair Professor of Chemical Engineering Paula Hammond, sono riportati in un articolo pubblicato il 20 giugno sulla rivista Nanotecnologia della natura . Gli autori principali sono lo studente di ingegneria chimica Seung Woo Lee PhD '10 e il ricercatore post-dottorato Naoaki Yabuuchi.
batterie, come le batterie agli ioni di litio ampiamente utilizzate nell'elettronica portatile, sono costituiti da tre componenti fondamentali:due elettrodi (detti anodo, o elettrodo negativo, e il catodo, o elettrodo positivo) separati da un elettrolita, un materiale elettricamente conduttivo attraverso il quale particelle cariche, o ioni, può muoversi facilmente. Quando queste batterie sono in uso, ioni di litio caricati positivamente viaggiano attraverso l'elettrolita fino al catodo, produrre una corrente elettrica; quando vengono ricaricati, una corrente esterna fa sì che questi ioni si muovano nella direzione opposta, così si incastrano negli spazi del materiale poroso dell'anodo.
Nel nuovo elettrodo della batteria, i nanotubi di carbonio - una forma di carbonio puro in cui fogli di atomi di carbonio sono arrotolati in minuscoli tubi - si "autoassemblano" in una struttura strettamente legata che è porosa su scala nanometrica (miliardesimi di metro). Inoltre, i nanotubi di carbonio hanno molti gruppi di ossigeno sulla loro superficie, che può immagazzinare un gran numero di ioni di litio; ciò consente per la prima volta ai nanotubi di carbonio di fungere da elettrodo positivo nelle batterie al litio, invece del solo elettrodo negativo.
Questo processo di "autoassemblaggio elettrostatico" è importante, Hammond spiega, perché normalmente i nanotubi di carbonio su una superficie tendono ad aggregarsi in fasci, lasciando meno superfici esposte a subire reazioni. Incorporando molecole organiche sui nanotubi, si assemblano in un modo che "ha un alto grado di porosità pur avendo un gran numero di nanotubi presenti, " lei dice.
Le batterie al litio con il nuovo materiale dimostrano alcuni dei vantaggi di entrambi i condensatori, che può produrre potenze molto elevate in brevi raffiche, e batterie al litio, che può fornire una potenza inferiore costantemente per lunghi periodi, dice Lee. L'energia prodotta per un dato peso di questo nuovo materiale per elettrodi è risultata cinque volte maggiore rispetto ai condensatori convenzionali, e il tasso di erogazione di potenza totale era 10 volte quello delle batterie agli ioni di litio, dice la squadra. Questa prestazione può essere attribuita alla buona conduzione di ioni ed elettroni nell'elettrodo, ed efficiente accumulo di litio sulla superficie dei nanotubi.
Oltre alla loro elevata potenza, gli elettrodi di nanotubi di carbonio hanno mostrato un'ottima stabilità nel tempo. Dopo 1, 000 cicli di carica e scarica di una batteria di prova, non c'era alcun cambiamento rilevabile nelle prestazioni del materiale.
Gli elettrodi prodotti dal team avevano spessori fino a pochi micron, e i miglioramenti nella fornitura di energia sono stati osservati solo a livelli di uscita ad alta potenza. Nel lavoro futuro, il team mira a produrre elettrodi più spessi ed estendere le prestazioni migliorate anche alle uscite a bassa potenza, dicono. Nella sua forma attuale, il materiale potrebbe avere applicazioni per piccoli, dispositivi elettronici portatili, dice Shao-Corno, ma se l'elevata capacità di potenza riportata fosse dimostrata in una forma molto più spessa - con spessori di centinaia di micron anziché solo pochi - potrebbe alla fine essere adatta per altre applicazioni come le auto ibride.
Mentre il materiale dell'elettrodo è stato prodotto immergendo alternativamente un substrato in due diverse soluzioni - un processo relativamente lungo - Hammond suggerisce che il processo potrebbe essere modificato spruzzando invece gli strati alternati su un nastro di materiale in movimento, una tecnica ora in fase di sviluppo nel suo laboratorio. Ciò potrebbe eventualmente aprire la possibilità di un processo di produzione continuo che potrebbe essere scalato fino a volumi elevati per la produzione commerciale, e potrebbe essere utilizzato anche per produrre elettrodi più spessi con una maggiore capacità di potenza. "Non c'è un vero limite" allo spessore potenziale, Hammond dice. "L'unico limite è il tempo necessario per fare gli strati, " e la tecnica di spruzzatura può essere fino a 100 volte più veloce dell'immersione, lei dice.
Lee afferma che, sebbene finora i nanotubi di carbonio siano stati prodotti in quantità limitate, alcune aziende si stanno attualmente attrezzando per la produzione in serie del materiale, che potrebbe contribuire a renderlo un materiale praticabile per la produzione di batterie su larga scala.
