Pori microscopici punteggiano un wafer di silicio preparato per l'uso in una batteria agli ioni di litio. Il silicio ha un grande potenziale per aumentare la capacità di stoccaggio delle batterie, e i pori lo aiutano ad espandersi e contrarsi mentre il litio viene immagazzinato e rilasciato. (Credito:Biswal Lab/Rice University)
Un team di scienziati della Rice University e Lockheed Martin ha scoperto un modo per utilizzare il silicio semplice per aumentare radicalmente la capacità delle batterie agli ioni di litio.
Sibani Lisa Biswal, un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare, rivelato come lei, collega Michael Wong, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e di chimica, e Steven Sinsabaugh, un Lockheed Martin Fellow, stanno migliorando la capacità intrinseca del silicio di assorbire gli ioni di litio.
Il loro lavoro è stato presentato oggi alla Buckyball Discovery Conference di Rice, parte di un anno di celebrazione del 25° anniversario della scoperta, vincitrice del premio Nobel, del buckminsterfullerene, o carbonio 60, molecola. ( PhysOrg.com è uno sponsor ufficiale dei media dell'evento ). Potrebbe diventare un componente chiave per le batterie delle auto elettriche e lo stoccaggio di energia di grande capacità, loro hanno detto.
"L'anodo, o negativo, lato delle batterie di oggi è fatto di grafite, che funziona. è ovunque, " Ha detto Wong. "Ma è al massimo. Non puoi inserire più litio nella grafite di quanto ne abbiamo già".
Il silicio ha la più alta capacità teorica di qualsiasi materiale per immagazzinare litio, ma c'è un grave inconveniente nel suo utilizzo. "Può assorbire molto litio, circa 10 volte più del carbonio, che sembra fantastico, " disse Wong. "Ma dopo un paio di cicli di gonfiore e restringimento, sta per rompersi".
Una vista laterale dei pori microscopici nel silicio. (Credito:Biswal Lab/Rice University)
Altri laboratori hanno cercato di risolvere il problema con tappeti di nanofili di silicio che assorbono il litio come un mocio assorbe l'acqua, ma la squadra di Rice ha preso una strada diversa.
Con Mahduri Thakur, un ricercatore post-dottorato nel dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare di Rice, e Mark Isaacson di Lockheed Martin, Bisval, Wong e Sinsabaugh hanno scoperto che l'inserimento di pori di dimensioni micron sulla superficie di un wafer di silicio dà al materiale spazio sufficiente per espandersi. Mentre le comuni batterie agli ioni di litio contengono circa 300 milliampere per grammo di materiale anodico a base di carbonio, hanno determinato che il silicio trattato potrebbe teoricamente immagazzinare più di 10 volte quella quantità.
Sinsabaugh ha descritto la svolta come uno dei primi frutti del Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER). Ha detto che il progetto è iniziato tre anni fa quando ha incontrato Biswal alla Rice e ha confrontato le note. "Stava lavorando su silicio poroso, e sapevo che le nanostrutture di silicio venivano esaminate per gli anodi delle batterie. Facciamo due più due, " Egli ha detto.
I nanopori sono più semplici da creare rispetto ai nanofili di silicio, disse Bisval. I pori, un micron di larghezza e da 10 a 50 micron di lunghezza, forma quando viene applicata una carica positiva e negativa ai lati di un wafer di silicio, che viene poi immerso in un solvente fluoridrico. "Gli atomi di idrogeno e di fluoruro si separano, " ha detto. "Il fluoro attacca un lato del silicio, formare i pori. Si formano verticalmente a causa del pregiudizio positivo e negativo".
Il silicio trattato, lei disse, "sembra formaggio svizzero."
Il processo semplice lo rende altamente adattabile per la produzione, lei disse. "Non abbiamo bisogno di alcune delle difficili fasi di lavorazione che fanno loro:l'alto vuoto e il dover lavare i nanotubi. L'incisione in massa è molto più semplice da elaborare.
"L'altro vantaggio è che abbiamo visto durate abbastanza lunghe. Le nostre batterie attuali hanno 200-250 cicli, molto più lungo delle batterie a nanofili, " disse Bisval.
Hanno detto che mettere i pori nel silicio richiede un vero atto di bilanciamento, quanto più spazio è dedicato alle buche, meno materiale è disponibile per immagazzinare il litio. E se il silicio si espande fino al punto in cui le pareti dei pori si toccano, il materiale potrebbe degradarsi.
I ricercatori sono fiduciosi che a buon mercato, l'abbondanza di silicio combinato con la facilità di produzione potrebbe aiutare a spingere la loro idea nel mainstream.
"Siamo molto entusiasti del potenziale di questo lavoro, " Sinsabaugh ha detto. "Questo materiale ha il potenziale per aumentare significativamente le prestazioni delle batterie agli ioni di litio, che sono utilizzati in una vasta gamma di attività commerciali, applicazioni militari e aerospaziali
Biswal e Wong hanno in programma di studiare il meccanismo con cui il silicio assorbe il litio e come e perché si rompe. "Il nostro obiettivo è sviluppare un modello del ceppo che il silicio subisce nel ciclo del litio, " disse Wong. "Una volta che lo capiamo, avremo un'idea molto migliore di come massimizzare il suo potenziale."
