I ricercatori della USC hanno sviluppato un nuovo design della batteria agli ioni di litio che utilizza nanoparticelle di silicio porose al posto dei tradizionali anodi di grafite per fornire prestazioni superiori.
Le nuove batterie, che potrebbero essere utilizzate in qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari alle auto ibride, contengono un'energia tre volte superiore a quella dei modelli comparabili a base di grafite e si ricaricano in 10 minuti. Il design, attualmente sotto brevetto provvisorio, potrebbe essere disponibile in commercio entro due o tre anni.
"È una ricerca entusiasmante. Apre le porte alla progettazione delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione, " disse Chongwu Zhou, professore alla USC Viterbi School of Engineering, che ha guidato il team che ha sviluppato la batteria. Zhou ha lavorato con gli studenti laureati USC Mingyuan Ge, Jipeng Rong, Xin Fang e Anyi Zhang, così come Yunhao Lu dell'Università di Zhejiang in Cina. La loro ricerca è stata pubblicata in Nano ricerca a gennaio.
I ricercatori hanno a lungo tentato di utilizzare il silicio, che è economico e ha un'elevata capacità potenziale, negli anodi della batteria. (Gli anodi sono dove la corrente scorre in una batteria, mentre i catodi sono dove scorre la corrente.) Il problema era che i precedenti progetti di anodi di silicio, che erano fondamentalmente piccole lastre di materiale, si è rotto da ripetuti rigonfiamenti e restringimenti durante i cicli di carica/scarica ed è diventato rapidamente inutile.
L'anno scorso, Il team di Zhou ha sperimentato nanofili di silicio porosi con un diametro inferiore a 100 nanometri e lunghi solo pochi micron. I minuscoli pori sui nanofili hanno permesso al silicio di espandersi e contrarsi senza rompersi, aumentando contemporaneamente l'area superficiale, che a sua volta consente agli ioni di litio di diffondersi più rapidamente all'interno e all'esterno della batteria, migliorare le prestazioni.
Anche se le batterie hanno funzionato bene, i nanofili sono difficili da fabbricare in massa. Per risolvere il problema, Il team di Zhou ha preso delle nanoparticelle disponibili in commercio, minuscole sfere di silicio, e le ha incise con gli stessi pori dei nanofili. Le particelle funzionano in modo simile e possono essere prodotte in qualsiasi quantità desiderata.
Sebbene le batterie a nanoparticelle di silicio attualmente durino solo 200 cicli di ricarica (rispetto a una media di 500 per i progetti a base di grafite), il vecchio design basato su nanofili di silicio del team è durato fino a 2, 000 cicli, che è stato riportato su Nano Lett lo scorso aprile. L'ulteriore sviluppo del design delle nanoparticelle dovrebbe aumentare la durata della batteria, ha detto Zhou.
"Il metodo semplice che utilizziamo potrebbe generare un impatto reale sulle applicazioni delle batterie nel prossimo futuro, " Disse Zhu.
La futura ricerca del gruppo si concentrerà sulla ricerca di un nuovo materiale catodico con un'elevata capacità che si accoppierà bene con i nanofili di silicio poroso e/o le nanoparticelle di silicio poroso per creare una batteria completamente ridisegnata.
