Un nuovo studio aiuterà i ricercatori a creare progetti di lunga durata, batterie al litio ricaricabili ad alta capacità, comunemente utilizzati nell'elettronica di consumo. In uno studio pubblicato sulla rivista ACS Nano , i ricercatori hanno mostrato come un rivestimento che rende più durevoli gli elettrodi di silicio ad alta capacità potrebbe portare a sostituire gli elettrodi di grafite a capacità inferiore.

"Capire come funziona il rivestimento ci dà un'indicazione della direzione in cui dobbiamo muoverci per superare i problemi con gli elettrodi di silicio, ", ha affermato lo scienziato dei materiali Chongmin Wang del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy.

Grazie alla sua elevata capacità elettrica potenziale, il silicio è una delle cose più calde nello sviluppo delle batterie agli ioni di litio in questi giorni. La sostituzione dell'elettrodo di grafite nelle batterie al litio ricaricabili con il silicio potrebbe aumentare la capacità di dieci volte, facendoli durare molte ore in più prima che finiscano il succo. Il problema? Gli elettrodi di silicio non sono molto resistenti:dopo alcune dozzine di ricariche, non possono più contenere l'elettricità.

Ciò è in parte dovuto al modo in cui il silicio assorbe il litio, come una spugna. Durante la ricarica, il litio si infiltra nell'elettrodo di silicio. Il litio fa gonfiare l'elettrodo di silicio fino a tre volte la sua dimensione originale. Forse a causa del gonfiore o per altri motivi sconosciuti, il silicio si rompe e si rompe.

I ricercatori hanno utilizzato elettrodi costituiti da minuscole sfere di silicio larghe circa 150 nanometri, circa mille volte più piccole di un capello umano, per superare alcuni dei limiti del silicio come elettrodo. Le dimensioni ridotte consentono al silicio di caricarsi rapidamente e completamente, un miglioramento rispetto ai precedenti elettrodi di silicio, ma allevia solo in parte il problema della frattura.

L'anno scorso, la scienziata dei materiali Chunmei Ban e i suoi colleghi del National Renewable Energy Laboratory di Golden, Colorado, e l'Università del Colorado, Boulder ha scoperto che potevano coprire le nanoparticelle di silicio con un rivestimento simile alla gomma realizzato con glicerolo di alluminio. Le particelle di silicio rivestite sono durate almeno cinque volte di più:le particelle non rivestite sono morte per 30 cicli, ma quelli rivestiti portavano ancora una carica dopo 150 cicli.

I ricercatori non sapevano come questo rivestimento migliorasse le prestazioni delle nanoparticelle di silicio. Le nanoparticelle sviluppano naturalmente un guscio duro di ossido di silicio sulla loro superficie, proprio come l'acciaio inossidabile forma uno strato protettivo di ossido di cromo sulla sua superficie. Nessuno ha capito se lo strato di ossido ha interferito con le prestazioni dell'elettrodo, e se così fosse, come il rivestimento gommoso lo ha migliorato.

Per capire meglio come ha funzionato il rivestimento, Wang e colleghi di PNNL, compreso il divieto, si è rivolto alla competenza e a uno strumento unico in EMSL, Laboratorio di scienze molecolari ambientali del DOE, un DOE Office of Science User Facility presso PNNL.

Il gruppo di Ban, che ha sviluppato il rivestimento per gli elettrodi di silicio, chiamato alucone, ed è attualmente l'unico gruppo in grado di creare particelle di silicio rivestite di alucone:ha scattato immagini ad alto ingrandimento delle particelle in un microscopio elettronico. Ma il team di Wang ha un microscopio in grado di vedere le particelle in azione, mentre vengono caricati e scaricati. Così, Yang He dell'Università di Pittsburgh ha esplorato le nanoparticelle di silicio rivestite in azione all'EMSL.

Il team ha scoperto che, senza il rivestimento in alucone, il guscio di ossido impedisce al silicio di espandersi e limita la quantità di litio che la particella può assorbire quando una batteria si carica. Allo stesso tempo, hanno scoperto che il rivestimento in alucone ammorbidisce le particelle, rendendo più facile per loro espandersi e restringersi con il litio.

E le immagini microscopiche hanno rivelato qualcos'altro:l'alucone gommoso sostituisce l'ossido duro. Ciò consente al silicio di espandersi e contrarsi durante la carica e la scarica, prevenire la frattura.

"Siamo rimasti stupiti che l'ossido sia stato rimosso, " ha detto Wang. "Normalmente è difficile rimuovere un ossido. Devi usare l'acido per farlo. Ma questo metodo di deposizione molecolare che ricopre le particelle ha completamente cambiato lo strato protettivo".

Inoltre, le particelle con i gusci di ossido tendono a fondersi durante la carica, aumentando le loro dimensioni e impedendo al litio di permeare il silicio. Il rivestimento gommoso ha mantenuto le particelle separate, permettendo loro di funzionare in modo ottimale.

Nel futuro, i ricercatori vorrebbero sviluppare un metodo più semplice per rivestire le nanoparticelle di silicio.