(PhysOrg.com) -- I ricercatori di Stanford hanno utilizzato la nanotecnologia per inventare un catodo per batterie agli ioni di litio migliore.

Il design delle odierne batterie ricaricabili agli ioni di litio limita l'uso di nuove tecnologie come le auto elettriche e l'accumulo di energia su scala di rete perché non immagazzinano abbastanza energia rispetto al loro volume e peso - o, come direbbero i ricercatori, la loro densità di energia è troppo bassa.

Risolvere questo problema è in gran parte una questione di trovare nuovi materiali per gli elettrodi della batteria caricati positivamente e negativamente, il catodo e l'anodo.

Il gruppo di ricerca dell'inventore della batteria Yi Cui, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, utilizza la nanotecnologia per fabbricare materiali per elettrodi che migliorano notevolmente la capacità di accumulo elettrico delle batterie agli ioni di litio. In precedenti ricerche, hanno reinventato gli anodi delle batterie fabbricandoli con nanofili di silicio.

Ora, Cui e i suoi studenti hanno utilizzato nanofibre di carbonio cave rivestite di zolfo e uno speciale additivo elettrolitico per migliorare l'altra estremità della batteria ricaricabile agli ioni di litio, il catodo. I risultati sono stati pubblicati online il 14 settembre sulla rivista Nano lettere .

Secondo Cui, mettere anodi di nanofili di silicio e catodi di carbonio rivestiti di zolfo in una batteria è la prossima generazione di design della batteria.

"Credo fermamente che sia una scelta futura promettente per realizzare batterie migliori, " Ha detto Cui.

"Lo zolfo è uno dei materiali in grado di offrire una capacità di accumulo di carica 10 volte superiore ma con circa la metà della tensione della batteria esistente, " Egli ha detto.

Sia la capacità di carica che la tensione influiscono sulla quantità di energia che una batteria può fornire. Con il catodo di zolfo come parte di una batteria completa, la maggiore capacità di carica consente di costruire una batteria con un accumulo di energia da quattro a cinque volte superiore rispetto alla tecnologia delle batterie agli ioni di litio esistente.

Le batterie al litio-zolfo hanno ricevuto attenzione a causa del basso costo e della non tossicità dello zolfo. Però, le precedenti generazioni di catodi di litio e zolfo non sono state praticabili per la commercializzazione perché si guastano rapidamente a causa di ripetute cariche e ricariche.

La nuova fabbricazione del catodo risolve una serie di problemi materiali che, Cui ha detto, "l'insieme rappresenta una sfida davvero grande per far funzionare questo materiale come una batteria praticabile".

Nei precedenti progetti di catodo litio-zolfo, strati di zolfo su strutture di carbonio relativamente aperte. Questo è un problema perché espone lo zolfo alla soluzione elettrolitica della batteria. Quando i prodotti di reazione intermedi chiamati polisolfuri di litio entrano in contatto con la soluzione elettrolitica, riducono la capacità della batteria dissolvendosi nell'elettrolita.

Come studente laureato di Cui, Wesley Guangyuan Zheng, spiegato, "Questo può essere in conflitto perché da un lato non vogliamo una grande superficie a contatto con lo zolfo e l'elettrolita, e d'altra parte vogliamo una grande superficie per conducibilità elettrica e ionica."

Il nuovo design risolve il conflitto con un processo di fabbricazione unico che consente allo zolfo di rivestire l'interno di una nanofibra di carbonio cava, ma non l'esterno. Questo processo di fabbricazione si basa su un nuovo utilizzo di una tecnologia di filtraggio disponibile in commercio che viene normalmente applicata alla filtrazione dell'acqua.

Il nuovo design del catodo migliora anche la capacità della batteria perché ha una struttura quasi chiusa che impedisce ai polisolfuri di fuoriuscire in modo significativo nella soluzione elettrolitica. La lunghezza di una nanofibra cava è circa 300 volte il suo diametro; i canali lunghi e stretti impediscono la fuoriuscita di polisolfuri.

Oltre ai guadagni di accumulo di energia ottenuti con una migliore fabbricazione di nanofibre di carbonio cave di zolfo, Lo studente laureato di Cui Yuan Yang ha incluso un additivo elettrolitico che migliora la carica della batteria e l'efficienza energetica, nota come efficienza coulombiana.

"Senza l'additivo metti 100 elettroni nella batteria e ne ottieni 85. Con l'additivo, ne prendi 99, " Ha detto Cui.

"Per progettare la struttura migliore abbiamo bisogno sia del design dell'elettrodo che dell'additivo elettrolitico e questi due combinati insieme possono darti un'elevata capacità e un'elevata efficienza coulombiana, " Cui ha detto. "Ora abbiamo un'elevata capacità su entrambi i lati dell'elettrodo; è eccitante."