(Phys.org) -- Per più di un decennio, gli scienziati hanno cercato di migliorare le batterie a base di litio sostituendo la grafite in un terminale con il silicio, che può immagazzinare 10 volte più carica. Ma dopo pochi cicli di carica/scarica, la struttura del silicio si spezzerebbe e si sbriciolerebbe, rendendo la batteria inutilizzabile.

Ora un team guidato dallo scienziato dei materiali Yi Cui di Stanford e SLAC ha trovato una soluzione:una nanostruttura a doppia parete progettata in modo intelligente che dura più di 6, 000 cicli, molto più del necessario per i veicoli elettrici o l'elettronica mobile.

“Questo è uno sviluppo molto entusiasmante verso il nostro obiettivo di creare piccoli, batterie più leggere e più durature di quelle oggi disponibili, "Ha detto Cui. I risultati sono stati pubblicati il ​​25 marzo in Nanotecnologia della natura .

Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate per alimentare dispositivi dai veicoli elettrici all'elettronica portatile perché possono immagazzinare una quantità relativamente grande di energia in un pacchetto relativamente leggero. La batteria funziona controllando il flusso di ioni di litio attraverso un elettrolita fluido tra i suoi due terminali, chiamato anodo e catodo.

La promessa - e il pericolo - di utilizzare il silicio come anodo in queste batterie deriva dal modo in cui gli ioni di litio si legano all'anodo durante il ciclo di carica. Fino a quattro ioni di litio si legano a ciascuno degli atomi in un anodo di silicio - rispetto a uno ogni sei atomi di carbonio nell'anodo di grafite di oggi - che gli consente di immagazzinare molta più carica.

Però, inoltre gonfia l'anodo fino a quattro volte il suo volume iniziale. Cosa c'è di più, parte dell'elettrolita reagisce con il silicio, rivestendolo e inibendo un'ulteriore carica. Quando il litio fuoriesce dall'anodo durante la scarica, l'anodo si restringe alla sua dimensione originale e il rivestimento si incrina, esponendo silicio fresco all'elettrolita.

In pochi cicli, lo sforzo di espansione e contrazione, combinato con l'attacco elettrolitico, distrugge l'anodo attraverso un processo chiamato "decrepitazione".

Negli ultimi cinque anni, Il gruppo di Cui ha progressivamente migliorato la durata degli anodi di silicio ricavandoli da nanofili e quindi da nanoparticelle di silicio cave. Il suo ultimo progetto consiste in un nanotubo di silicio a doppia parete rivestito con un sottile strato di ossido di silicio, un materiale ceramico molto resistente.

Questo forte strato esterno impedisce l'espansione della parete esterna del nanotubo, quindi rimane intatto. Anziché, il silicone si gonfia innocuamente nell'interno cavo, che è anche troppo piccolo per l'ingresso di molecole di elettrolita. Dopo il primo ciclo di carica, opera da più di 6, 000 cicli con una capacità residua dell'85%.

Cui ha affermato che la ricerca futura mira a semplificare il processo per realizzare i nanotubi di silicio a doppia parete. Altri nel suo gruppo stanno sviluppando nuovi catodi ad alte prestazioni da combinare con il nuovo anodo per formare una batteria con prestazioni cinque volte superiori all'odierna tecnologia agli ioni di litio.

Nel 2008, Cui ha fondato una società, Amprio, che ha concesso in licenza i diritti sui brevetti di Stanford per la sua tecnologia anodica a nanofili di silicio. Il suo obiettivo a breve termine è produrre una batteria con una densità di energia doppia rispetto alle odierne batterie agli ioni di litio.