I ricercatori della USC Viterbi School of Engineering hanno migliorato le prestazioni e la capacità delle batterie al litio sviluppando batterie più performanti, materiali più economici per l'uso in anodi e catodi (elettrodi negativi e positivi, rispettivamente).
Le batterie agli ioni di litio sono un tipo popolare di batteria ricaricabile che si trova comunemente nell'elettronica portatile e nelle auto elettriche o ibride. Tradizionalmente, le batterie agli ioni di litio contengono un anodo di grafite, ma il silicio è recentemente emerso come un promettente sostituto dell'anodo perché è il secondo elemento più abbondante sulla terra e ha una capacità teorica di 3600 milliampere ora per grammo (mAh/g), quasi 10 volte la capacità della grafite. La capacità di una batteria agli ioni di litio è determinata da quanti ioni di litio possono essere immagazzinati nel catodo e nell'anodo. L'uso del silicio nell'anodo aumenta notevolmente la capacità della batteria perché un atomo di silicio può legare fino a 3,75 ioni di litio, mentre con un anodo di grafite sono necessari sei atomi di carbonio per ogni atomo di litio.
Il team dell'USC Viterbi ha sviluppato un anodo di silicio economico (e quindi commercialmente valido) con una capacità stabile superiore a 1100 mAh/g per 600 cicli estesi, rendendo il loro anodo quasi tre volte più potente e più duraturo di un tipico anodo commerciale.
Fino a poco tempo fa, l'implementazione di successo degli anodi di silicio nelle batterie agli ioni di litio ha dovuto affrontare un grosso ostacolo:la grave polverizzazione dell'elettrodo dovuta all'espansione e alla retrazione del volume che si verifica con l'uso del silicio. L'anno scorso, lo stesso team guidato dal professore di ingegneria elettrica della USC Viterbi Chongwu Zhou ha sviluppato un progetto di anodo di successo utilizzando nanofili di silicio porosi che hanno permesso al materiale di espandersi e contrarsi senza rompersi, risolvendo efficacemente il problema della polverizzazione.
Questa soluzione ha prodotto un nuovo problema, tuttavia:il metodo per produrre silicio nanostrutturato era proibitivo per l'adozione commerciale.
imperterrito, lo studente laureato Mingyuan Ge e altri membri del team di Zhou hanno sviluppato il loro lavoro precedente per sviluppare un metodo efficiente in termini di costi per produrre particelle di silicio porose attraverso i metodi semplici ed economici della macinazione a palline e della mordenzatura.
"Il nostro metodo per produrre anodi di silicio nanoporoso è a basso costo e scalabile per la produzione di massa nella produzione industriale, che rende il silicio un materiale anodico promettente per la prossima generazione di batterie agli ioni di litio, " ha detto Zhou. "Riteniamo che sia l'approccio più promettente per l'applicazione di anodi di silicio nelle batterie agli ioni di litio per migliorare la capacità e le prestazioni".
Inoltre, lo studente laureato Jiepeng Rong e altri membri del team hanno sviluppato un metodo per rivestire la polvere di zolfo con ossido di grafene per migliorare le prestazioni delle batterie litio-zolfo. Lo zolfo è stato un promettente candidato catodico per molti anni grazie alla sua elevata capacità teorica, che è oltre 10 volte maggiore di quella dei tradizionali catodi di ossido metallico o fosfato. Anche lo zolfo elementare è abbondante, a buon mercato, e ha una bassa tossicità. Però, l'applicazione pratica dello zolfo è stata notevolmente ostacolata da problemi quali scarsa conduttività e scarsa ciclabilità, il che significa che la batteria perde potenza dopo ogni carica e muore dopo un numero inferiore di ricariche.
La loro ricerca ha dimostrato che un rivestimento di ossido di grafene su zolfo può risolvere entrambi i problemi. L'ossido di grafene ha proprietà uniche come un'elevata area superficiale, stabilità chimica, resistenza meccanica e flessibilità, ed è quindi comunemente usato per rivestire i materiali di base in prodotti come sensori o celle solari per migliorarne le prestazioni. Il rivestimento di ossido di grafene del team ha migliorato la capacità del catodo di zolfo a 800 mAh/g per 1000 cicli di carica/scarica, che è oltre 5 volte la capacità dei catodi commerciali.
Zhou e il suo team hanno recentemente pubblicato i loro risultati sugli anodi di silicio in Nano lettere [1]. Il documento è stato uno sforzo collaborativo tra Zhou, Studenti laureati USC Viterbi Mingyuan Ge, Jiepeng Rong, e Xin Fang, così come Matthew Mecklenburg del Center for Electron Microscopy and Microanalysis presso la USC, e ricercatori dell'Università cinese di Zhejiang e del Lawrence Berkeley National Laboratory. Separatamente, Zhou, Rong, Ge, e Fang hanno anche pubblicato i risultati in Nano lettere sul loro metodo per produrre facilmente catodi di zolfo rivestiti di grafene per batterie agli ioni di litio [2].
Ora che i loro test separati degli elettrodi negativo e positivo hanno dato ottimi risultati, il team sta ora lavorando per testarli insieme in una batteria completa. Successivamente integreranno l'anodo di silicio con il catodo di zolfo, così come con altri materiali catodici tradizionali, al fine di massimizzare la capacità della batteria agli ioni di litio e le prestazioni complessive.
"Per quanto possiamo dire, le nostre tecnologie sia con l'anodo di silicio che con il catodo di zolfo sono tra le soluzioni più convenienti e quindi mostrano la promessa per la commercializzazione per realizzare la prossima generazione di batterie agli ioni di litio per alimentare l'elettronica portatile e i veicoli elettrici, ", ha dichiarato lo studente laureato della USC Viterbi Rong.
