Rice University e Lockheed Martin hanno creato una polvere di silicio porosa che può portare a robusti, potenti batterie agli ioni di litio. Cinquanta milligrammi della polvere trattata nella fiala destra hanno una superficie molto maggiore di un identico peso di silicio frantumato nella fiala sinistra. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
(Phys.org)—I ricercatori della Rice University hanno perfezionato la tecnologia agli ioni di litio a base di silicio schiacciando letteralmente il loro lavoro precedente per realizzare un materiale anodico di lunga durata ea basso costo con un serio potenziale commerciale per batterie al litio ricaricabili.
Il team guidato dall'ingegnere della Rice Sibani Lisa Biswal e dal ricercatore Madhuri Thakur ha riferito in Natura diario ad accesso aperto di Rapporti scientifici sulla creazione di un anodo a base di silicio, l'elettrodo negativo di una batteria, che raggiunge facilmente 600 cicli di carica-scarica a 1, 000 milliampere ora per grammo (mAh/g). Questo è un miglioramento significativo rispetto alla capacità di 350 mAh/g degli attuali anodi di grafite.
Ciò lo colloca esattamente nel regno della tecnologia delle batterie di nuova generazione in competizione per ridurre i costi ed estendere la gamma di veicoli elettrici.
Il nuovo lavoro di Rice attraverso il Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER) è il prossimo e più grande passo logico da quando i partner hanno iniziato a studiare le batterie quattro anni fa.
"In precedenza abbiamo riferito sulla realizzazione di film di silicio poroso, " disse Bisval, un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare. "Abbiamo cercato di allontanarci dalla geometria del film a qualcosa che possa essere facilmente trasferito nell'attuale processo di produzione della batteria. Madhuri ha schiacciato il film di silicio poroso per formare particelle di silicio poroso, una polvere che può essere facilmente adottata dai produttori di batterie."
Una batteria a mezza cella che incorpora un silicio poroso sviluppato presso la Rice University ha ottenuto più di 600 cicli di carica-scarica in laboratorio. Il lavoro è promettente per le batterie di nuova generazione per veicoli elettrici. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Il silicio può contenere 10 volte più ioni di litio rispetto alla grafite comunemente usata oggi negli anodi. Ma c'è un problema:il silicio più che triplica il suo volume quando è completamente litiato. Quando ripetuto, questo rigonfiamento e restringimento fa sì che il silicio si scomponga rapidamente.
Molti ricercatori hanno lavorato su strategie per rendere il silicio più adatto all'uso della batteria. Gli scienziati della Rice e altrove hanno creato silicio nanostrutturato con un elevato rapporto superficie-volume, che consente al silicio di ospitare un'espansione di volume maggiore. Bisval, l'autore principale Thakur e il coautore Michael Wong, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e di chimica, provato l'approccio opposto; hanno inciso i pori nei wafer di silicio per dare al materiale spazio per espandersi. All'inizio di quest'anno, erano passati alla produzione di pellicole di silicone simili a spugne che mostravano ancora più promesse.
La polvere di silicio poroso mescolata con poliacrilonitrile pirolizzato è la base per un anodo robusto per batterie agli ioni di litio. Gli anodi sviluppati con la polvere alla Rice University hanno raggiunto più di 600 cicli di carica-scarica in laboratorio. Credito:Madhuri Thakur/Rice University
Ma anche quei film rappresentavano un problema per i produttori, disse Thakur. "Non sono facili da gestire e sarebbe difficile da scalare." Ma schiacciando le spugne in grani porosi, il materiale guadagna molta più superficie per assorbire gli ioni di litio.
Biswal sollevò due fiale, uno contenente 50 milligrammi di silicio frantumato, gli altri 50 milligrammi di polvere di silicio poroso. La differenza tra loro era evidente. "La superficie del nostro materiale è di 46 metri quadrati per grammo, " ha detto. "Il silicio frantumato è 0,71 metri quadrati per grammo. Quindi le nostre particelle hanno più di 50 volte la superficie, che ci dà una superficie più ampia per la litiazione, con abbondanza di spazio vuoto per accogliere l'espansione." La polvere di silicio poroso è mescolata con un legante, poliacrilonitrile pirolizzato (PAN), che offre supporto conduttivo e strutturale.
"Come una polvere, possono essere utilizzati nella lavorazione roll-to-roll su larga scala dall'industria, " Thakur ha detto. "Il materiale è molto semplice da sintetizzare, economico e offre un'elevata capacità energetica su un gran numero di cicli."
"Questo lavoro mostra quanto sia importante e utile essere in grado di controllare i pori interni e la dimensione esterna delle particelle di silicio, "Ha detto Wong.
In recenti esperimenti, Thakur ha progettato una batteria a mezza cella con metallo al litio come controelettrodo e ha fissato la capacità dell'anodo a 1, 000 mAh/g. Quello era solo circa un terzo della sua capacità teorica, ma tre volte meglio delle batterie attuali. Gli anodi sono durati 600 cicli di carica-scarica a una velocità C/2 (due ore per la carica e due ore per la scarica). Un altro anodo continua a funzionare a una velocità C/5 (carica di cinque ore e scarica di cinque ore) e dovrebbe rimanere a 1, 000 mAh/g per più di 700 cicli.
"Questo sforzo di successo tra la Rice University e Lockheed Martin Mission Systems and Sensors fornirà un miglioramento significativo nella tecnologia delle batterie mediante lo sviluppo di questa tecnica di produzione economica per il materiale dell'anodo di silicio, " ha detto Steven Sinsabaugh, un Lockheed Martin Fellow che lavora con LANCER e coautore del documento insieme al ricercatore Lockheed Martin Mark Isaacson. "Siamo davvero entusiasti di questa svolta e non vediamo l'ora di trasferire questa tecnologia sul mercato commerciale".
"Il prossimo passo sarà testare questa polvere di silicio poroso come anodo in una batteria piena, " Biswal ha detto. "I nostri risultati preliminari con l'ossido di cobalto come catodo sembrano molto promettenti, e ci sono nuovi materiali catodici che vorremmo indagare."
