Anna Douglas, studentessa laureata alla Vanderbilt, tiene in mano una delle batterie che ha modificato aggiungendo milioni di punti quantici fatti di pirite di ferro, l'oro degli sciocchi. Credito:John Russell, Università Vanderbilt
Se aggiungi punti quantici - nanocristalli 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano:la batteria di uno smartphone si ricarica in 30 secondi, ma l'effetto dura solo per pochi cicli di ricarica.
Però, un gruppo di ricercatori della Vanderbilt University riferisce nel numero dell'11 novembre della rivista ACS Nano che hanno trovato un modo per superare questo problema:fare i punti quantici con la pirite di ferro, comunemente noto come l'oro degli sciocchi, può produrre batterie che si caricano rapidamente e funzionano per decine di cicli.
Il gruppo di ricerca guidato dall'assistente professore di ingegneria meccanica Cary Pint e guidato dalla studentessa Anna Douglas si è interessato alla pirite di ferro perché è uno dei materiali più abbondanti sulla superficie terrestre. Viene prodotto in forma grezza come sottoprodotto della produzione di carbone ed è così economico che viene utilizzato nelle batterie al litio che vengono acquistate in negozio e gettate dopo un singolo utilizzo.
Nonostante tutte le loro promesse, i ricercatori hanno avuto problemi a ottenere nanoparticelle per migliorare le prestazioni della batteria.
"I ricercatori hanno dimostrato che i materiali su scala nanometrica possono migliorare significativamente le batterie, ma c'è un limite, " disse Pint. "Quando le particelle diventano molto piccole, generalmente significa inferiore a 10 nanometri (da 40 a 50 atomi di larghezza), le nanoparticelle iniziano a reagire chimicamente con gli elettroliti e quindi possono caricarsi e scaricarsi solo poche volte. Quindi questo regime di dimensioni è vietato nelle batterie commerciali agli ioni di litio."
Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione di un singolo punto quantico di pirite di ferro a sinistra e un grafico che mostra la distribuzione delle dimensioni dei punti quantici d'oro dello sciocco che hanno aggiunto alle batterie al litio standard. Credito:Pint Lab, Università Vanderbilt
Aiutato dall'esperienza di Douglas nella sintesi di nanoparticelle, il team ha deciso di esplorare questo regime "ultrapiccolo". Lo hanno fatto aggiungendo milioni di punti quantici di pirite di ferro di diverse dimensioni a batterie a bottone al litio standard come quelle utilizzate per alimentare gli orologi, telecomandi per chiavi automobilistiche e torce a LED. Hanno ottenuto il massimo dai loro soldi quando hanno aggiunto nanocristalli ultrapiccoli di dimensioni di circa 4,5 nanometri. Questi hanno sostanzialmente migliorato le capacità di ciclo e velocità delle batterie.
I ricercatori hanno scoperto di aver ottenuto questo risultato perché la pirite di ferro ha un modo unico di cambiare forma in un composto di ferro e di litio-zolfo (o zolfo di sodio) per immagazzinare energia. "Questo è un meccanismo diverso da come le batterie commerciali agli ioni di litio immagazzinano la carica, dove il litio si inserisce in un materiale durante la carica e viene estratto durante la scarica, lasciando il materiale che immagazzina il litio per lo più invariato, " ha spiegato Douglas.
Secondo Pinta, "Puoi immaginarlo come una torta alla vaniglia. Conservare il litio o il sodio nei materiali convenzionali delle batterie è come inserire le gocce di cioccolato nella torta e poi estrarre le scaglie intatte. Con i materiali interessanti che stiamo studiando, metti le gocce di cioccolato nella torta alla vaniglia e si trasforma in una torta al cioccolato con gocce di vaniglia".
Di conseguenza, le regole che vietano l'uso di nanoparticelle ultrapiccole nelle batterie non si applicano più. Infatti, la bilancia è inclinata a favore di nanoparticelle molto piccole.
"Invece di inserire semplicemente ioni di litio o sodio dentro o fuori le nanoparticelle, lo stoccaggio nella pirite di ferro richiede anche la diffusione di atomi di ferro. Sfortunatamente, il ferro si diffonde lentamente, richiedendo che la dimensione sia inferiore alla lunghezza di diffusione del ferro - cosa che è possibile solo con nanoparticelle ultrapiccole, " ha spiegato Douglas.
Un'osservazione chiave dello studio del team è stata che queste nanoparticelle ultrapiccole sono dotate di dimensioni che consentono al ferro di spostarsi in superficie mentre il sodio o il litio reagiscono con gli solfuri nella pirite di ferro. Hanno dimostrato che questo non è il caso delle particelle più grandi, dove l'incapacità del ferro di muoversi attraverso i materiali di pirite di ferro limita la loro capacità di stoccaggio.
Pint ritiene che la comprensione dei meccanismi di stoccaggio chimico e di come essi dipendano dalle dimensioni su scala nanometrica sia fondamentale per consentire l'evoluzione delle prestazioni della batteria a un ritmo che resista alla legge di Moore e possa supportare la transizione ai veicoli elettrici.
"Le batterie di domani che possono caricarsi in pochi secondi e scaricarsi in giorni non utilizzeranno solo la nanotecnologia, beneficeranno dello sviluppo di nuovi strumenti che ci consentiranno di progettare nanostrutture in grado di resistere a decine di migliaia di cicli e con capacità di accumulo di energia pari a quelle della benzina, " ha detto Pint. "La nostra ricerca è un passo importante in questa direzione."
