Un elettrodo per batteria simile alla carta sviluppato da un ingegnere della Kansas State University può migliorare gli strumenti per l'esplorazione dello spazio o i veicoli aerei senza equipaggio.

Gurpreet Singh, professore associato di ingegneria meccanica e nucleare, e il suo team di ricerca ha creato l'elettrodo della batteria utilizzando vetro ossicarburo di silicio e grafene.

L'elettrodo della batteria ha tutte le caratteristiche giuste. È più leggero del 10% rispetto ad altri elettrodi per batterie. Ha un'efficienza di ciclo prossima al 100% per più di 1000 cicli di scarica della carica. È realizzato con materiali a basso costo che sono sottoprodotti dell'industria del silicone. E funziona a temperature fino a meno 15 gradi C, che gli conferisce numerose applicazioni aeree e spaziali.

La ricerca appare in Comunicazioni sulla natura articolo "Elettrodo in carta composita di ossicarburo di silicio vetro-grafene per batterie agli ioni di litio a ciclo lungo".

Il team di ricerca di Singh ha esplorato nuove combinazioni di materiali per le batterie e il design degli elettrodi. È stato difficile incorporare grafene e silicio in batterie pratiche a causa delle sfide che sorgono a carichi di massa elevati, come una bassa capacità per volume, scarsa efficienza del ciclo e instabilità chimico-meccanica.

Il team di Singh ha affrontato queste sfide producendo un elettrodo autoportante e pronto all'uso che consiste in una ceramica vetrosa chiamata ossicarburo di silicio inserita tra grandi piastrine di grafene modificato chimicamente, o CMG. L'elettrodo ha un'elevata capacità di circa 600 miliampere ora per grammo, 400 miliampere ora per centimetro cubo, che deriva dall'ossicarburo di silicio. Il design simile alla carta è composto dal 20% di piastrine di grafene chimicamente modificate.

"Il design simile alla carta è nettamente diverso dagli elettrodi utilizzati nelle batterie attuali perché elimina il supporto della lamina metallica e la colla polimerica, entrambi i quali non contribuiscono alla capacità della batteria, " ha detto Singh.

Il design sviluppato dal team di Singh ha consentito di risparmiare circa il 10% del peso totale della cella. Il risultato è un elettrodo leggero in grado di immagazzinare ioni di litio ed elettroni con un'efficienza di ciclo quasi del 100% per oltre 1000 cicli di scarica della carica. L'aspetto più importante è che il materiale è in grado di dimostrare tali prestazioni a livelli pratici, ha detto Singh.

Le celle per elettrodi di carta sono anche in grado di fornire una capacità di 200 miliampere-ora per grammo anche se mantenute a meno 15 gradi C per circa un mese, il che è abbastanza notevole considerando che la maggior parte delle batterie non funziona a temperature così basse, ha detto Singh.

"Ciò suggerisce che le batterie ricaricabili da elettrodi di silicio-vetro e grafene possono essere adatte anche per veicoli aerei senza equipaggio che volano ad alta quota, o forse anche applicazioni spaziali, " ha detto Singh.

Il materiale di ossicarburo di silicio stesso è piuttosto speciale, ha detto Singh. Viene preparato riscaldando una resina liquida fino al punto in cui si decompone e si trasforma in particelle affilate simili al vetro. Il silicio, gli atomi di carbonio e ossigeno vengono riorganizzati in una struttura 3D casuale e qualsiasi eccesso di carbonio precipita nelle regioni cellulari. Una tale struttura 3-D aperta crea ampi siti per lo stoccaggio reversibile del litio e canali lisci per il trasporto di ioni di litio. Questa struttura e meccanismo di stoccaggio del litio è diverso dagli elettrodi in silicio cristallino. Si prevede che gli elettrodi di ossicarburo di silicio siano a basso costo perché la materia prima, la resina liquida, è un sottoprodotto dell'industria del silicone.

Andando avanti, Singh e il suo team vogliono affrontare sfide pratiche. L'obiettivo di Singh è produrre questo materiale per elettrodi di dimensioni ancora maggiori. Per esempio, le attuali batterie a matita utilizzano elettrodi in lamina di rame rivestiti di grafite che sono lunghi più di un piede. Il team vorrebbe anche eseguire test di piegatura meccanica per vedere come influenzano i parametri di prestazione.

"In definitiva, vorremmo lavorare con l'industria per esplorare la produzione di batterie agli ioni di litio full-cell, " Ha detto Singh. "L'ossicarburo di silicio può anche essere preparato con la stampa 3D, che è un'altra area di nostro interesse".