Un tipo completamente nuovo di nanomateriale sviluppato al Rensselaer Polytechnic Institute potrebbe consentire la prossima generazione di batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li) ad alta potenza per automobili elettriche, così come batterie per computer portatili, cellulari, e altri dispositivi portatili.

Il nuovo materiale, soprannominato "nanoscoop" perché la sua forma ricorda un cono con una pallina di gelato sopra, può sopportare velocità di carica e scarica estremamente elevate che causerebbero il rapido deterioramento e il guasto degli elettrodi convenzionali utilizzati nelle odierne batterie agli ioni di litio. Il successo del nanoscoop risiede nella sua composizione materiale unica, struttura, e dimensioni.

Il gruppo di ricerca Rensselaer, guidato dal professor Nikhil Koratkar, ha dimostrato come un elettrodo a nanoscoop potrebbe essere caricato e scaricato a una velocità da 40 a 60 volte più veloce rispetto agli anodi delle batterie convenzionali, mantenendo una densità energetica comparabile. Questa performance stellare, che è stato raggiunto in oltre 100 cicli di carica/scarica continui, ha il team fiducioso che la loro nuova tecnologia abbia un potenziale significativo per la progettazione e la realizzazione di dispositivi ad alta potenza, batterie ricaricabili agli ioni di litio ad alta capacità.

"Ricaricare il mio laptop o cellulare in pochi minuti, invece di un'ora, suona abbastanza bene per me, " disse Koratkar, professore presso il Dipartimento di Meccanica, Aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer. "Utilizzando i nostri nanoscoop come architettura anodica per batterie ricaricabili agli ioni di litio, questa è una prospettiva molto reale. Inoltre, questa tecnologia potrebbe potenzialmente essere potenziata per soddisfare le esigenti esigenze delle batterie per le automobili elettriche".

Le batterie per veicoli completamente elettrici devono fornire densità di potenza elevate oltre a densità di energia elevate, disse Koatkar. Questi veicoli oggi utilizzano supercondensatori per svolgere funzioni ad alta intensità di energia, come l'avviamento del veicolo e la rapida accelerazione, in combinazione con batterie convenzionali che forniscono un'elevata densità di energia per la normale guida in crociera e altre operazioni. Koratkar ha affermato che l'invenzione dei nanoscoop potrebbe consentire di combinare questi due sistemi separati in un unico, batteria più efficiente.

I risultati dello studio sono stati dettagliati nel documento "Functionally Strain-Graded Nanoscoops for High Power Li-Ion Battery Anodes, " pubblicato giovedì dalla rivista Nano lettere .

La struttura dell'anodo di una batteria agli ioni di litio cresce e si restringe fisicamente man mano che la batteria si carica o si scarica. Durante la ricarica, l'aggiunta di ioni Li aumenta il volume dell'anodo, mentre lo scarico ha l'effetto opposto. Queste variazioni di volume provocano un accumulo di stress nell'anodo. Uno stress troppo grande che si accumula troppo in fretta, come nel caso di una batteria che si carica o si scarica ad alta velocità, può causare un guasto prematuro della batteria. Questo è il motivo per cui la maggior parte delle batterie dei dispositivi elettronici portatili odierni come telefoni cellulari e laptop si caricano molto lentamente:la velocità di carica lenta è intenzionale e progettata per proteggere la batteria dai danni indotti dallo stress.

Il nanoscoop del team Rensselaer, però, è stato progettato per resistere a questo accumulo di stress. Realizzato con una base di nanotubi di carbonio (C) sormontata da un sottile strato di alluminio su scala nanometrica (Al) e una "paletta" di silicio su scala nanometrica (Si), le strutture sono flessibili e in grado di accettare e scaricare rapidamente ioni di litio a velocità estremamente elevate senza subire danni significativi. La struttura segmentata del nanoscoop consente di trasferire gradualmente il ceppo dalla base C allo strato Al, e infine allo scoop di Si. Questa gradazione naturale della deformazione fornisce una transizione meno brusca dello stress attraverso le interfacce del materiale, portando a una migliore integrità strutturale dell'elettrodo.

Anche la dimensione su scala nanometrica della paletta è vitale poiché le nanostrutture sono meno soggette a fessurazioni rispetto ai materiali sfusi, secondo Koratkar.

"A causa delle loro dimensioni su scala nanometrica, i nostri nanoscoop possono assorbire e rilasciare Li ad alte velocità molto più efficacemente degli anodi su macroscala utilizzati nelle odierne batterie agli ioni di litio, ", ha detto. "Ciò significa che il nostro nanoscoop potrebbe essere la soluzione a un problema critico che le aziende automobilistiche e altri produttori di batterie devono affrontare:come si può aumentare la densità di potenza di una batteria pur mantenendo alta la densità di energia?"

Una limitazione dell'architettura del nanoscoop è la massa totale relativamente bassa dell'elettrodo, disse Koratkar. Per risolvere questo, i prossimi passi del team sono provare a coltivare misurini più lunghi con una massa maggiore, o sviluppare un metodo per impilare strati di nanoscoop uno sopra l'altro. Un'altra possibilità che il team sta esplorando include la coltivazione dei nanoscoop su grandi substrati flessibili che possono essere arrotolati o modellati per adattarsi ai contorni o al telaio dell'automobile.