(PhysOrg.com) -- Una svolta nei componenti per le batterie di prossima generazione potrebbe provenire da materiali speciali che trasformano la loro struttura per funzionare meglio nel tempo.

Un team di ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, guidato dalla nanoscienziata delle Argonne Tijana Rajh e dall'esperto di batterie Christopher Johnson, scoperto che i nanotubi composti da biossido di titanio possono cambiare fase mentre una batteria viene caricata, aumentando gradualmente la loro capacità operativa. Test di laboratorio hanno mostrato che le nuove batterie prodotte con questo materiale potrebbero essere ricaricate fino alla metà della loro capacità originale in meno di 30 secondi.

Sostituendo gli anodi di grafite convenzionali con quelli composti da nanotubi di titanio, Rajh e i suoi colleghi hanno assistito a un fenomeno sorprendente. Poiché la batteria ha attraversato diverse cariche e scariche, la sua struttura interna iniziò ad orientarsi in modo da migliorare notevolmente le prestazioni della batteria.

"Non ci aspettavamo che ciò accadesse quando abbiamo iniziato a lavorare con il materiale, ma l'anodo ha adottato spontaneamente la struttura migliore, " Ha detto Rajh. "C'è una sorta di plasticità interna al sistema che gli consente di cambiare quando la batteria viene caricata".

Secondo il nanoscienziato di Argonne Hui Xiong, che ha lavorato con Rajh per sviluppare il nuovo materiale anodico, sembrava improbabile che il biossido di titanio potesse sostituire adeguatamente la grafite. "Siamo partiti da un materiale che non avremmo mai pensato potesse fornire un uso funzionale, e si è trasformato in qualcosa che ci ha dato il miglior risultato possibile, " lei disse.

Uno degli altri ricercatori del gruppo di Rajh, Sanja Tepavcevic, ha adottato un approccio simile per realizzare una struttura automigliorante per una nanobatteria agli ioni di sodio.

"Questo è un comportamento materiale molto insolito, " ha aggiunto Jeff Chamberlain, un chimico Argonne che guida l'importante iniziativa di stoccaggio dell'energia del laboratorio. "Stiamo assistendo ad alcune transizioni di fase su scala nanometrica che sono molto interessanti da un punto di vista scientifico, ed è la comprensione più profonda dei comportamenti di questi materiali che sbloccherà i misteri dei materiali utilizzati nei sistemi di accumulo di energia elettrica".

La ragione per cui il biossido di titanio sembrava una soluzione non plausibile per lo sviluppo delle batterie risiede nella natura amorfa del materiale. Poiché i materiali amorfi non hanno un ordine interno, mancano delle proprietà elettroniche speciali dei materiali cristallini altamente ordinati. Però, non è noto che i materiali amorfi subiscano trasformazioni strutturali così profonde durante il ciclismo, secondo Rajh. La maggior parte dei materiali noti per batterie subiscono la transizione opposta:all'inizio sono altamente cristallini e si polverizzano fino a raggiungere uno stato amorfo dopo il ciclo.

Avere anodi composti da biossido di titanio al posto della grafite migliora anche l'affidabilità e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. In certi casi, il litio può uscire dalla soluzione e depositarsi sugli anodi di grafite, provocando una pericolosa reazione a catena nota come fuga termica. "Ogni tipo di test che abbiamo condotto sugli anodi in titanio ha dimostrato che sono eccezionalmente sicuri, " disse Ciambellano.

La scoperta di Argonne è nata dalla collaborazione tra due delle strutture di punta del laboratorio:il Center for Nanoscale Materials e l'Advanced Photon Source. Combinando tecniche di nanofabbricazione all'avanguardia con raggi X ad alta intensità per caratterizzare i nanotubi, i ricercatori di Argonne sono stati in grado di osservare rapidamente questo comportamento insolito.