Una nuova nanoparticella "tuorlo e guscio" potrebbe aumentare la capacità e la potenza delle batterie agli ioni di litio. La sfera grigia al centro rappresenta una nanoparticella di alluminio, formando il "tuorlo". Lo strato esterno azzurro rappresenta un guscio solido di biossido di titanio, e lo spazio tra il tuorlo e il guscio consente al tuorlo di espandersi e contrarsi senza danneggiare il guscio. Sullo sfondo c'è un'immagine al microscopio elettronico a scansione reale di una raccolta di queste nanoparticelle di tuorlo d'uovo. Credito:Christine Daniloff/MIT
Un grosso problema affrontato dagli elettrodi nelle batterie ricaricabili, mentre passano attraverso ripetuti cicli di carica e scarica, è che devono espandersi e ridursi durante ogni ciclo, a volte raddoppiando di volume, e poi rimpicciolirsi. Questo può portare a ripetuti spargimenti e riformazione del suo strato di "pelle" che consuma il litio in modo irreversibile, degradando le prestazioni della batteria nel tempo.
Ora un team di ricercatori del MIT e della Tsinghua University in Cina ha trovato un nuovo modo per aggirare questo problema:creare un elettrodo fatto di nanoparticelle con un guscio solido, e un "tuorlo" all'interno che può cambiare dimensione ancora e ancora senza intaccare il guscio. L'innovazione potrebbe migliorare drasticamente la vita del ciclo, la squadra dice e fornisce un notevole aumento della capacità e della potenza della batteria.
Le nuove scoperte, che utilizzano l'alluminio come materiale chiave per l'elettrodo negativo della batteria agli ioni di litio, o anodo, sono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo del professore del MIT Ju Li e altri sei. L'uso di nanoparticelle con un tuorlo di alluminio e un guscio di biossido di titanio ha dimostrato di essere "il campione ad alto tasso tra gli anodi ad alta capacità, ", riferisce la squadra.
La maggior parte delle attuali batterie agli ioni di litio, la forma più utilizzata di batterie ricaricabili, utilizza anodi in grafite, una forma di carbonio. La grafite ha una capacità di accumulo di carica di 0,35 amperora per grammo (Ah/g); per molti anni, i ricercatori hanno esplorato altre opzioni che fornirebbero un maggiore accumulo di energia per un dato peso. metallo di litio, Per esempio, può immagazzinare circa 10 volte più energia per grammo, ma è estremamente pericoloso, in grado di cortocircuitare o addirittura incendiarsi. Il silicio e lo stagno hanno capacità molto elevate, ma la capacità diminuisce a velocità di carica e scarica elevate.
L'alluminio è un'opzione a basso costo con capacità teorica di 2 Ah/g. Ma alluminio e altri materiali ad alta capacità, Li dice, "espandono molto quando arrivano ad alta capacità, quando assorbono il litio. E poi si restringono, quando si rilascia il litio."
Questa espansione e contrazione delle particelle di alluminio genera grandi sollecitazioni meccaniche, che possono causare la disconnessione dei contatti elettrici. Anche, l'elettrolita liquido a contatto con l'alluminio si decomporrà sempre alle tensioni di carica/scarica richieste, formando una pelle chiamata strato interfase solido-elettrolita (SEI), il che andrebbe bene se non fosse per l'espansione e il restringimento ripetuti di grandi volumi che causano la dispersione delle particelle di SEI. Di conseguenza, i precedenti tentativi di sviluppare un elettrodo di alluminio per batterie agli ioni di litio erano falliti.
È qui che è nata l'idea di utilizzare alluminio confinato sotto forma di nanoparticelle di tuorlo d'uovo. Nel settore delle nanotecnologie, c'è una grande differenza tra quelle che vengono chiamate nanoparticelle "core-shell" e "youlk-shell". I primi hanno un guscio che è legato direttamente al nucleo, ma le particelle del guscio di tuorlo presentano un vuoto tra i due, equivalente a dove sarebbe il bianco di un uovo. Di conseguenza, il materiale "tuorlo" può espandersi e contrarsi liberamente, con scarso effetto sulle dimensioni e sulla stabilità del "guscio".
"Abbiamo realizzato un guscio di ossido di titanio, "Li dice, "che separa l'alluminio dall'elettrolita liquido" tra i due elettrodi della batteria. Il guscio non si espande o si restringe molto, lui dice, quindi il rivestimento SEI sul guscio è molto stabile e non cade, e l'alluminio all'interno è protetto dal contatto diretto con l'elettrolita.
Il team non l'aveva originariamente pianificato in quel modo, dice Li, il professore della Battelle Energy Alliance in scienze e ingegneria nucleare, che ha un incarico congiunto nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT.
"Abbiamo inventato il metodo in modo fortuito, è stata una scoperta casuale, " dice. Le particelle di alluminio che usavano, che hanno un diametro di circa 50 nanometri, hanno naturalmente uno strato ossidato di allumina (Al2O3). "Dovevamo liberarcene, perché non va bene per la conduttività elettrica, "Li dice.
Hanno finito per convertire lo strato di allumina in titanio (TiO2), un miglior conduttore di elettroni e ioni di litio quando è molto sottile. Le polveri di alluminio sono state poste in acido solforico saturato con ossisolfato di titanio. Quando l'allumina reagisce con l'acido solforico, viene rilasciata acqua in eccesso che reagisce con l'ossisolfato di titanio per formare un guscio solido di idrossido di titanio con uno spessore da 3 a 4 nanometri. Ciò che sorprende è che mentre questo guscio solido si forma quasi istantaneamente, se le particelle rimangono nell'acido per qualche ora in più, il nucleo di alluminio si restringe continuamente per diventare un "tuorlo" di 30 nm, ", che mostra che piccoli ioni possono passare attraverso il guscio.
Le particelle vengono quindi trattate per ottenere le particelle di tuorlo d'uovo finali di alluminio-titania (ATO). Dopo essere stato testato attraverso 500 cicli di carica-scarica, il guscio di titanio diventa un po' più spesso, Li dice, ma l'interno dell'elettrodo rimane pulito senza accumulo di SEI, dimostrando che il guscio racchiude completamente l'alluminio consentendo agli ioni di litio e agli elettroni di entrare e uscire. Il risultato è un elettrodo che fornisce più di tre volte la capacità della grafite (1,2 Ah/g) a una normale velocità di carica, Li dice. A velocità di ricarica molto elevate (sei minuti per la ricarica completa), la capacità è ancora 0,66 Ah/g dopo 500 cicli.
I materiali sono economici, e il metodo di produzione potrebbe essere semplice e facilmente scalabile, Li dice. Per applicazioni che richiedono una batteria ad alta potenza e densità di energia, lui dice, "Probabilmente è il miglior materiale anodico disponibile." I test su cella completa che utilizzano fosfato di ferro di litio come catodo hanno avuto successo, indicando che ATO è abbastanza vicino ad essere pronto per applicazioni reali.
"Queste particelle di tuorlo d'uovo mostrano prestazioni davvero impressionanti nei test su scala di laboratorio, "dice David Lou, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Nanyang Technological University di Singapore, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Per me, il punto più interessante di questo lavoro è che il processo appare semplice e scalabile."
C'è molto lavoro nel campo delle batterie che utilizza "sintesi complicate con strutture sofisticate, "Lui aggiunge, ma tali sistemi "è improbabile che abbiano un impatto per le batterie reali. ... Le cose semplici hanno un impatto reale nel campo delle batterie".
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
