Questa è un'illustrazione di un nuovo elettrodo per batteria realizzato con un composto di idrogel e nanoparticelle di silicio (Si NP). Ogni Si NP è incapsulato in un rivestimento superficiale polimerico conduttivo e collegato a una struttura di idrogel tridimensionale. Credito:Yi Cui, Università di Stanford
Gli scienziati della Stanford University hanno notevolmente migliorato le prestazioni delle batterie agli ioni di litio creando nuovi elettrodi in silicio e idrogel polimerico conduttore, un materiale spugnoso simile a quello utilizzato nelle lenti a contatto e in altri prodotti per la casa.
Scrivo sul numero del 4 giugno della rivista Comunicazioni sulla natura , gli scienziati descrivono una nuova tecnica per produrre a basso costo, batterie a base di silicio con potenziali applicazioni per un'ampia gamma di dispositivi elettrici.
"Lo sviluppo di batterie ricaricabili agli ioni di litio con un'elevata densità di energia e una lunga durata del ciclo è di fondamentale importanza per affrontare le sempre crescenti esigenze di accumulo di energia per l'elettronica portatile, veicoli elettrici e altre tecnologie, ", ha affermato il coautore dello studio Zhenan Bao, un professore di ingegneria chimica a Stanford.
Per trovare un pratico, materiale economico che aumenta la capacità di stoccaggio delle batterie agli ioni di litio, Bao e i suoi colleghi di Stanford si sono rivolti al silicio, un abbondante, elemento rispettoso dell'ambiente con proprietà elettroniche promettenti.
"Abbiamo cercato di sviluppare elettrodi a base di silicio per batterie agli ioni di litio ad alta capacità per diversi anni, ", ha affermato il coautore dello studio Yi Cui, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford. "Il silicio ha 10 volte la capacità di immagazzinamento della carica del carbonio, il materiale convenzionale utilizzato negli elettrodi agli ioni di litio. Il problema è che il silicio si espande e si rompe".
Gli studi hanno dimostrato che le particelle di silicio possono subire un'espansione di volume del 400 percento se combinate con il litio. Quando la batteria viene caricata o scaricata, le particelle rigonfie tendono a fratturarsi ea perdere il contatto elettrico. Per superare questi vincoli tecnici, il team di Stanford ha utilizzato una tecnica di fabbricazione chiamata polimerizzazione di sintesi in situ che riveste le nanoparticelle di silicio all'interno dell'idrogel conduttore.
Questa tecnica ha permesso agli scienziati di creare una batteria agli ioni di litio stabile che ha mantenuto un'elevata capacità di archiviazione per 5, 000 cicli di carica e scarica.
Gli scienziati di Stanford hanno utilizzato un processo di fabbricazione della batteria per realizzare nuovi elettrodi di silicio/idrogel. Le nanoparticelle di silicio sono state disperse in una soluzione di idrogel rosso, formando un gel verde scuro che è stato laminato su un collettore di corrente in lamina di rame ed essiccato. Credito:Yi Cui, Università di Stanford
"Attribuiamo l'eccezionale stabilità elettrochimica della batteria all'esclusiva architettura su nanoscala dell'elettrodo in composito di silicio, " ha detto Bao.
Utilizzando un microscopio elettronico a scansione, gli scienziati hanno scoperto che la matrice porosa di idrogel è piena di spazi vuoti che consentono alle nanoparticelle di silicio di espandersi quando viene inserito il litio. Questa matrice forma anche una rete tridimensionale che crea un percorso di conduzione elettronica durante la carica e la scarica.
"Si scopre che l'idrogel ha siti di legame che si attaccano molto bene alle particelle di silicio e allo stesso tempo forniscono canali per il trasporto veloce di elettroni e ioni di litio, " ha spiegato Cui, ricercatore principale presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. "Questo rende una combinazione molto potente."
Una semplice miscela di idrogel e silicio si è rivelata molto meno efficace della tecnica di polimerizzazione per sintesi in situ. "Fare prima l'idrogel e poi mescolarlo con le particelle di silicio non ha funzionato bene, " Ha detto Bao. "Ha richiesto un ulteriore passaggio che ha effettivamente ridotto le prestazioni della batteria. Con la nostra tecnica, ogni nanoparticella di silicio è incapsulata all'interno di un rivestimento superficiale polimerico conduttivo ed è collegata alla struttura dell'idrogel. Ciò migliora la stabilità complessiva della batteria."
L'idrogel è costituito principalmente da acqua, che può causare l'accensione delle batterie agli ioni di litio, un potenziale problema che il team di ricerca ha dovuto affrontare. "Abbiamo utilizzato la proprietà della rete tridimensionale dell'idrogel nell'elettrodo, ma nella fase finale di produzione, l'acqua è stata rimossa, " Bao ha detto. "Non vuoi acqua all'interno di una batteria agli ioni di litio."
Sebbene permangano una serie di problemi tecnici, Cui è ottimista sulle potenziali applicazioni commerciali della nuova tecnica per creare elettrodi in silicio e altri materiali.
"Il processo di fabbricazione degli elettrodi utilizzato nello studio è compatibile con la tecnologia di produzione delle batterie esistente, " ha detto. "Il silicio e l'idrogel sono anche poco costosi e ampiamente disponibili. Questi fattori potrebbero consentire di ampliare gli elettrodi in composito di silicio ad alte prestazioni per la produzione della prossima generazione di batterie agli ioni di litio. È un approccio molto semplice che ha portato a un risultato molto potente".
