Nuovi tipi di nanostrutture hanno mostrato risultati promettenti per applicazioni in dispositivi e sistemi energetici alimentati elettrochimicamente, comprese le tecnologie avanzate delle batterie.
Un processo per realizzare queste nanostrutture è il dealloying, in cui uno o più componenti elementari di una lega vengono selettivamente lisciviati dai materiali.
I ricercatori dell'Arizona State University Karl Sieradzki e Qing Chen hanno sperimentato la cessione di leghe di litio-stagno, e vedendo il potenziale delle nanostrutture che stanno producendo per innescare progressi nelle batterie agli ioni di litio, nonché nell'ampliare la gamma di metodi per la creazione di nuovi materiali nanoporosi utilizzando il processo di deallocazione.
I risultati della loro ricerca sono dettagliati in un documento di cui sono co-autori che è stato recentemente pubblicato sul sito web della famosa rivista di scienza e ingegneria Materiali della natura (pubblicazione anticipata online).
Sieradzki è uno scienziato dei materiali e professore alla School for Engineering of Matter, Trasporti ed Energia, una delle scuole di ingegneria Ira A. Fulton dell'ASU.
Chen ha conseguito il dottorato in scienza dei materiali presso l'ASU la scorsa primavera ed è ora assistente di ricerca post-dottorato.
I materiali nanoporosi realizzati mediante deallocazione sono costituiti da fori a zigzag su scala nanometrica e metallo. Queste strutture hanno trovato applicazione nella catalisi (utilizzata per aumentare la velocità delle reazioni chimiche), nonché nell'attuazione (utilizzata per spostare o controllare meccanicamente vari meccanismi o sistemi) e nei supercondensatori (che forniscono una grande quantità di elevata capacità elettrica in piccoli dispositivi).
Potrebbero anche migliorare le prestazioni della tecnologia di rilevamento elettrochimico e fornire materiali più resistenti ai danni da radiazioni.
Le nanostrutture che Sieradzki e Chen hanno prodotto trattando le leghe di litio-stagno consentono un trasporto e uno stoccaggio più efficienti della carica elettrica associata al litio, mentre le ridotte dimensioni evitano la rottura del serbatoio di stagno che funge da supporto di stoccaggio per il litio.
Le batterie agli ioni di litio sono uno dei principali tipi di batterie ricaricabili. Sono ampiamente utilizzati nei prodotti di consumo, elettronica particolarmente portatile, e sono sempre più utilizzati nei veicoli elettrici e nelle tecnologie aerospaziali.
Sieradzki e Chen affermano che con più ricerca e sviluppo le nanostrutture porose prodotte dalla deallocazione delle leghe di litio potrebbero fornire una batteria agli ioni di litio con una migliore capacità di accumulo di energia e una carica e scarica più rapida, consentendole di funzionare più rapidamente.
Uno dei principali vantaggi è che le nanostrutture porose che forniscono questo aumento di potenza elettrochimica possono evolvere spontaneamente durante condizioni di elaborazione del dealloying sintonizzabili. Questo, Sieradzki spiega, apre possibilità per lo sviluppo di nuovi nanomateriali che potrebbero avere una moltitudine di applicazioni tecnologiche.
"Ci sono molti metalli che scienziati e ingegneri non sono stati in grado di rendere nanoporosi, " dice. "Ma si scopre che con il litio puoi litiare e delitiare molti materiali, e farlo facilmente a temperatura ambiente. Quindi questo potrebbe davvero ampliare lo spettro di ciò che è possibile realizzare nella produzione di nuovi materiali nanoporosi mediante deallocazione".
