I ricercatori hanno realizzato il primo elettrodo della batteria che si autoguarisce, aprendo un percorso nuovo e potenzialmente commercialmente valido per realizzare la prossima generazione di batterie agli ioni di litio per auto elettriche, cellulari e altri dispositivi. Il segreto è un polimero elastico che riveste l'elettrodo, lo lega insieme e guarisce spontaneamente piccole crepe che si sviluppano durante il funzionamento a batteria, ha affermato il team della Stanford University e del Dipartimento dell'Energia (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory.

Hanno riportato l'anticipo nel numero del 19 novembre di Chimica della natura .

"L'autoguarigione è molto importante per la sopravvivenza e la lunga vita di animali e piante, " ha detto Chao Wang, un ricercatore post-dottorato a Stanford e uno dei due principali autori dell'articolo. "Vogliamo incorporare questa funzione nelle batterie agli ioni di litio in modo che abbiano anche una lunga durata".

Chao ha sviluppato il polimero autorigenerante nel laboratorio del professor Zhenan Bao di Stanford, il cui gruppo ha lavorato su una pelle elettronica flessibile da utilizzare nei robot, sensori, arti protesici e altre applicazioni. Per il progetto della batteria ha aggiunto minuscole nanoparticelle di carbonio al polimero in modo che conduca l'elettricità.

"Abbiamo scoperto che gli elettrodi di silicio duravano 10 volte di più se rivestiti con il polimero autorigenerante, che ha riparato eventuali crepe in poche ore, " ha detto Bao.

"La loro capacità di immagazzinare energia è ora pratica, ma vorremmo certamente spingerlo, " disse Yi Cui, un professore associato presso SLAC e Stanford che ha guidato la ricerca con Bao. Gli elettrodi hanno funzionato per circa 100 cicli di carica-scarica senza perdere in modo significativo la loro capacità di accumulo di energia. "È ancora abbastanza lontano dall'obiettivo di circa 500 cicli per i telefoni cellulari e 3, 000 cicli per un veicolo elettrico, "Cui ha detto, "ma la promessa c'è, e da tutti i nostri dati sembra che funzioni."

I ricercatori di tutto il mondo stanno correndo per trovare modi per immagazzinare più energia negli elettrodi negativi delle batterie agli ioni di litio per ottenere prestazioni più elevate riducendo il peso. Uno dei materiali per elettrodi più promettenti è il silicio; ha un'elevata capacità di assorbire gli ioni di litio dal liquido della batteria durante la carica e di rilasciarli quando la batteria viene messa in funzione.

Ma questa elevata capacità ha un prezzo:gli elettrodi di silicio si gonfiano fino a tre volte le dimensioni normali e si rimpiccioliscono di nuovo ogni volta che la batteria si carica e si scarica, e il materiale fragile presto si incrina e cade a pezzi, degradazione delle prestazioni della batteria. Questo è un problema per tutti gli elettrodi nelle batterie ad alta capacità, disse Hui Wu, un ex postdoc di Stanford che ora è membro di facoltà alla Tsinghua University di Pechino, l'altro principale autore dell'articolo.

Per realizzare il rivestimento autorigenerante, gli scienziati hanno deliberatamente indebolito alcuni dei legami chimici all'interno dei polimeri:lunghi, molecole a catena con molte unità identiche. Il materiale risultante si rompe facilmente, ma le estremità spezzate sono chimicamente attratte l'una dall'altra e si ricollegano rapidamente, imitando il processo che consente alle molecole biologiche come il DNA di assemblarsi, riordinare e abbattere.

I ricercatori nel laboratorio di Cui e altrove hanno testato diversi modi per mantenere intatti gli elettrodi di silicio e migliorarne le prestazioni. Alcuni sono in fase di esplorazione per usi commerciali, ma molti coinvolgono materiali esotici e tecniche di fabbricazione che sono difficili da scalare per la produzione.

L'elettrodo autorigenerante, che è costituito da microparticelle di silicio ampiamente utilizzate nell'industria dei semiconduttori e delle celle solari, è la prima soluzione che sembra offrire una pratica strada da percorrere, Ha detto Cui. I ricercatori hanno affermato di pensare che questo approccio potrebbe funzionare anche per altri materiali per elettrodi, e continueranno a perfezionare la tecnica per migliorare le prestazioni e la longevità dell'elettrodo di silicio.