Le batterie al litio-ossigeno sono dispositivi innovativi che generano energia dall'ossigeno atmosferico intrappolato all'interno di pori, elettrodi a base di carbonio. Queste batterie sono notevolmente più leggere delle tradizionali batterie agli ioni di litio, e quindi avere il potenziale per estendere l'autonomia di guida dei veicoli elettrici e ibridi. Però, rimangono molte sfide pratiche per le batterie al litio-ossigeno, il più notevole dei quali è l'accumulo di sottoprodotti di perossido di litio insolubili nell'elettrodo di carbonio, che può causare l'interruzione del funzionamento della batteria dopo solo pochi cicli di carica.

Ora, Zhaolin Liu dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore, in collaborazione con Aishui Yu e collaboratori della Fudan University in Cina, ha sviluppato un elettrodo a nanotubi di carbonio che può alleviare i problemi di ricarica nelle batterie al litio-ossigeno, grazie ad un supporto in schiuma di nichel tridimensionale1.

In precedenti sforzi per migliorare le prestazioni delle batterie al litio-ossigeno, i ricercatori hanno studiato numerosi tipi di elettrodi di carbonio permeabili, tra cui carbone ad alta superficie, grafene e aerogel porosi. Tali approcci, però, fare affidamento su leganti simili a colla per tenere insieme le particelle di carbonio. Questi leganti riducono la velocità di diffusione dell'ossigeno attraverso l'elettrodo e possono degradare e ostruire gli spazi dei pori.

Liu e i suoi collaboratori hanno deciso di progettare un elettrodo privo di leganti passando alla schiuma di nichel, una sostanza poco costosa con una struttura tridimensionale porosa che la rende sia rigida che leggera. Per garantire la compatibilità della schiuma con le batterie al litio-ossigeno, il team ha coltivato nanotubi di carbonio drogati con piccole quantità di azoto direttamente sulla sua superficie. È stato dimostrato che gli elettrodi di nanotubi di carbonio drogati con azoto possiedono un'attività catalitica che aumenta la durata della batteria, e il team ha anticipato di poter creare dispositivi migliori supportando questi nanomateriali con schiuma di nichel.

Usando la deposizione chimica da vapore, i ricercatori sono stati in grado di coprire la schiuma di nichel con strati di nanotubi di carbonio drogati disposti in tipiche strutture simili al bambù. Questi nanotubi sono stati confezionati in modo lasco e hanno contribuito a una rete di grandi, tunnel interconnessi in tutta la schiuma. Secondo Liu, questi tunnel facilitano la diffusione dell'ossigeno e forniscono vuoti critici in cui il perossido di litio può essere depositato senza limitare le prestazioni della batteria.

Quando hanno misurato le prestazioni del loro elettrodo senza legante, il team ha scoperto che potrebbe fornire il doppio della capacità elettrica di un elettrodo di nanotubi di carbonio drogato con azoto puro. Liu osserva che il forte contatto elettrico tra i nanotubi e il supporto in nichel sopprime l'espansione del volume e limita gli effetti di polarizzazione che ostacolano la ricarica della batteria. "Il prossimo passo sarà applicare questi elettrodi in vere batterie al litio-ossigeno, " lui dice.