Scansione di immagini al microscopio elettronico di (a) nanofibre di SiO2 dopo l'essiccazione, (b) nanofibre di SiO2 ad alto ingrandimento (c) nanofibre di silicio dopo l'incisione, e (d) nanofibre di silicio ad alto ingrandimento.
Ricercatori dell'Università della California, Il Bourns College of Engineering di Riverside ha sviluppato un nuovo materiale simile alla carta per le batterie agli ioni di litio. Ha il potenziale per aumentare di parecchie volte l'energia specifica, o quantità di energia che può essere fornita per unità di peso della batteria.
Questo materiale simile alla carta è composto da nanofibre di silicio spugnose più di 100 volte più sottili dei capelli umani. Potrebbe essere utilizzato nelle batterie per veicoli elettrici ed elettronica personale.
I risultati sono stati appena pubblicati in un articolo, "Verso elettrodi senza legante scalabili:carta in nanofibra di silicio rivestita di carbonio tramite riduzione di Mg di nanofibre di SiO2 elettrofilate, "nel diario Rapporti scientifici sulla natura . Gli autori erano Mihri Ozkan, professore di ingegneria elettrica e informatica, Cengiz S. Ozkan, professore di ingegneria meccanica, e sei dei loro studenti laureati:Zach Favors, Hamed Hosseini Bay, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed, Robert Ionescu e Rachel Ye.
Le nanofibre sono state prodotte utilizzando una tecnica nota come elettrofilatura, per cui 20, 000 a 40, 000 volt vengono applicati tra un tamburo rotante e un ugello, che emette una soluzione composta principalmente da tetraetile ortosilicato (TEOS), un composto chimico frequentemente utilizzato nell'industria dei semiconduttori. Le nanofibre vengono quindi esposte al vapore di magnesio per produrre la struttura in fibra di silicio simile a una spugna.
Gli anodi delle batterie agli ioni di litio prodotti convenzionalmente sono realizzati utilizzando un foglio di rame rivestito con una miscela di grafite, un additivo conduttivo, e un legante polimerico. Ma, perché le prestazioni della grafite sono state quasi esaurite, i ricercatori stanno sperimentando altri materiali, come il silicio, che ha una capacità specifica, o carica elettrica per unità di peso della batteria, quasi 10 volte superiore alla grafite.
(a) Rappresentazione schematica del processo di elettrofilatura e successivo processo di riduzione. Fotografie digitali di (b) carta di nanofibre di SiO2 come filata, (c) carta di nanofibra di silicio incisa, e (d) carta in nanofibra di silicio rivestita di carbonio come usata nella configurazione a semicella agli ioni di litio.
Il problema con il silicio è che soffre di una significativa espansione del volume, che può degradare rapidamente la batteria. La struttura in nanofibra di silicio creata nei laboratori di Ozkan aggira questo problema e consente di far funzionare la batteria centinaia di volte senza un degrado significativo.
"Eliminare la necessità di collettori di corrente metallici e leganti polimerici inattivi mentre si passa a un materiale denso di energia come il silicio aumenterà significativamente le capacità di autonomia dei veicoli elettrici, "Ha detto Favori.
Questa tecnologia risolve anche un problema che ha afflitto il free-standing, o senza legante, elettrodi per anni:scalabilità. Materiali autoportanti coltivati mediante deposizione chimica da vapore, come nanotubi di carbonio o nanofili di silicio, può essere prodotto solo in quantità molto piccole (microgrammi). Però, Favors è stata in grado di produrre diversi grammi di nanofibre di silicio alla volta anche su scala di laboratorio.
Il lavoro futuro dei ricercatori prevede l'implementazione delle nanofibre di silicio in una batteria agli ioni di litio in formato tascabile, che è un formato di batteria su larga scala che può essere utilizzato nei veicoli elettrici e nell'elettronica portatile.
