Un gruppo di ricerca guidato da Naoki Fukata, un leader del gruppo di materiali semiconduttori nanostrutturati presso il Centro internazionale per la nanoarchitettura dei materiali (MANA), Istituto nazionale per la scienza dei materiali (NIMS), Giappone, e un gruppo di ricerca presso il Georgia Institute of Technology, NOI, ha sviluppato congiuntamente un materiale anodico per batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li) formando nanoparticelle fatte di compositi di silicio (Si)-metallo su substrati metallici. Il materiale dell'anodo risultante aveva un'elevata capacità, quasi il doppio rispetto ai materiali convenzionali, e un lungo ciclo di vita. Questi risultati porteranno allo sviluppo di maggiori capacità, materiali anodici di maggiore durata per batterie ricaricabili agli ioni di litio.

Attualmente, materiali a base di carbonio sono utilizzati come anodi per batterie ricaricabili agli ioni di litio, e le loro capacità sono fino a 370 mAh/g. In teoria, le loro capacità possono essere aumentate di oltre 10 volte fino a 4, 200mAh/g, purché si utilizzi Si puro come materiale anodico. Però, puro Si è altamente espandibile, tre o quattro volte in volume, durante il processo in cui lo ione Li è incorporato in esso. A causa di questa proprietà, i materiali anodici di silicio puro sono inclini a rompersi quando viene applicata una grande quantità di stress durante ripetuti cicli di carica-scarica, e quindi l'uso di Si puro sfuso come materiale anodico riduce notevolmente la durata del ciclo della batteria. Di conseguenza, Si puro non era stato utilizzato fino a poco tempo.

I gruppi di ricerca congiunti hanno formato nanofili di germanio (Ge) unidimensionali su substrati metallici e quindi hanno creato compositi nanostrutturati di Si-metallo utilizzando i nanofili come strato di materiale di base. Il materiale nanostrutturato formato è caratterizzato da numerose cavità esistenti all'interno di nanoparticelle aggregate da alcune decine di nanometri a un centinaio di nanometri. Ci sono anche cavità più grandi presenti tra i compositi di Si-metallo e le nanostrutture di Ge (Fig. 1). Un'altra caratteristica è che il materiale è costituito non solo da Si puro ma anche da atomi di metallo (principalmente ferro) che vengono forniti spontaneamente dal substrato tramite le nanostrutture di Ge sottostanti e incorporati nel materiale di Si in crescita, formazione di compositi silicio-metallo.

Sulla base delle valutazioni delle proprietà di carica-scarica dei campioni fabbricati, i gruppi di ricerca hanno confermato che la capacità del nuovo materiale anodico era circa il doppio della capacità degli attuali materiali anodici, e il suo ciclo di vita è stato anche esteso rispetto ai materiali convenzionali.

Il nuovo materiale è in grado di aumentare sia la capacità che la durata degli anodi delle batterie ricaricabili agli ioni di litio. I gruppi di ricerca hanno raggiunto queste caratteristiche creando cavità interne nel materiale, che fungono da spazio tampone per assorbire lo stress generato dall'espansione del Si puro, e regolando la composizione di Si e di elementi metallici nella nanostruttura a base di Si.