Un nuovo elettrodo per batteria presenta nanoparticelle di silicio raggruppate come semi di melograno in una dura scorza di carbonio. (Questo è un concetto artistico, non rappresentativo della batteria effettiva.) Credito:Greg Stewart/SLAC
con nanoparticelle di silicio raggruppate come semi in una dura crosta di carbonio - supera diversi ostacoli rimanenti all'utilizzo del silicio per una nuova generazione di batterie agli ioni di litio, affermano i suoi inventori presso la Stanford University e il National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia SLAC.
"Mentre rimangono un paio di sfide, questo design ci avvicina all'utilizzo di anodi di silicio in piccoli, batterie più leggere e potenti per prodotti come telefoni cellulari, tablet e auto elettriche, " disse Yi Cui, un professore associato a Stanford e SLAC che ha guidato la ricerca, segnalato oggi in Nanotecnologia della natura .
"Gli esperimenti hanno mostrato che il nostro anodo ispirato al melograno funziona al 97 percento della capacità anche dopo 1, 000 cicli di carica e scarica, che lo colloca bene all'interno della gamma desiderata per l'operazione commerciale."
L'anodo, o elettrodo negativo, è dove l'energia viene immagazzinata quando una batteria si carica. Gli anodi di silicio potrebbero immagazzinare 10 volte più carica degli anodi di grafite nelle odierne batterie ricaricabili agli ioni di litio, ma hanno anche dei grossi inconvenienti:il fragile silicio si gonfia e si sfalda durante la ricarica della batteria, e reagisce con l'elettrolito della batteria per formare residui che ricoprono l'anodo e ne degradano le prestazioni.
Negli ultimi otto anni, Il team di Cui ha affrontato il problema della rottura utilizzando nanofili o nanoparticelle di silicio che sono troppo piccole per rompersi in pezzi ancora più piccoli e racchiudendo le nanoparticelle in "gusci di tuorlo" di carbonio che danno loro spazio per gonfiarsi e restringersi durante la carica.
A sinistra:le nanoparticelle di silicio sono racchiuse in "gusci di tuorlo" di carbonio e raggruppate come semi in un melograno. Ogni grappolo ha una scorza di carbonio che lo tiene insieme, conduce elettricità e riduce al minimo le reazioni con l'elettrolita della batteria che possono degradare le prestazioni. Credito:Nian Liu, Zhenda Lu e Yi Cui/Stanford
Il nuovo studio si basa su quel lavoro. Lo studente laureato Nian Liu e la ricercatrice post-dottorato Zhenda Lu hanno utilizzato una tecnica di microemulsione comune nell'olio, industrie di vernici e cosmetici per raccogliere i gusci di tuorlo di silicio in grappoli, e ricoprite ogni grappolo con un secondo, strato di carbonio più spesso. Queste bucce di carbonio tengono insieme i grappoli di melograno e forniscono una robusta autostrada per le correnti elettriche.
E poiché ogni grappolo di melograno ha solo un decimo della superficie delle singole particelle al suo interno, un'area molto più piccola è esposta all'elettrolita, riducendo così la quantità di gunk che si forma a un livello gestibile.
Sebbene i cluster siano troppo piccoli per essere visti singolarmente, insieme formano una fine polvere nera che può essere usata per rivestire un pezzo di pellicola e formare un anodo. I test di laboratorio hanno dimostrato che gli anodi al melograno hanno funzionato bene se realizzati nello spessore richiesto per le prestazioni delle batterie commerciali.
Controllando con precisione il processo utilizzato per realizzarli, I ricercatori di Stanford e SLAC possono produrre grappoli di melograno di dimensioni specifiche per gli anodi delle batterie al silicio. Credito:Nian Liu, Zhenda Lu e Yi Cui/Stanford
Mentre questi esperimenti mostrano che la tecnica funziona, Cui ha detto, il team dovrà risolvere altri due problemi per renderlo praticabile su scala commerciale:devono semplificare il processo e trovare una fonte più economica di nanoparticelle di silicio. Una possibile fonte sono i gusci di riso:non sono adatti al cibo umano, prodotto da milioni di tonnellate e il 20% di biossido di silicio in peso. Secondo Liu, potrebbero essere trasformati in nanoparticelle di silicio puro con relativa facilità, come il suo team ha recentemente descritto in Scientific Reports.
"Per me è molto emozionante vedere quanti progressi abbiamo fatto negli ultimi sette o otto anni, "Cui ha detto, "e come abbiamo risolto i problemi uno per uno".
