Gli scienziati della Rice University hanno creato una batteria ricaricabile al litio metallico con tre volte la capacità delle batterie commerciali agli ioni di litio risolvendo qualcosa che ha a lungo perplesso i ricercatori:il problema dei dendriti.

La batteria Rice immagazzina il litio in un anodo unico, un ibrido senza soluzione di continuità di grafene e nanotubi di carbonio. Il materiale creato per la prima volta a Rice nel 2012 è essenzialmente una superficie di carbonio tridimensionale che fornisce un'area abbondante per abitare il litio.

L'anodo stesso si avvicina al massimo teorico per lo stoccaggio del metallo di litio mentre resiste alla formazione di dendriti dannosi o depositi "muschiosi".

I dendriti hanno ostacolato i tentativi di sostituire gli ioni di litio con batterie al litio metallico avanzate che durano più a lungo e si caricano più velocemente. I dendriti sono depositi di litio che crescono nell'elettrolita della batteria. Se fanno un ponte tra anodo e catodo e creano un cortocircuito, la batteria potrebbe non funzionare, prendere fuoco o addirittura esplodere.

I ricercatori del riso guidati dal chimico James Tour hanno scoperto che quando le nuove batterie vengono caricate, Il litio metallico riveste uniformemente l'ibrido di carbonio altamente conduttivo in cui i nanotubi sono legati in modo covalente alla superficie del grafene.

Come riportato nella rivista dell'American Chemical Society ACS Nano , l'ibrido sostituisce gli anodi di grafite nelle comuni batterie agli ioni di litio che scambiano la capacità per la sicurezza.

"Le batterie agli ioni di litio hanno cambiato il mondo, senza dubbio, "Giro ha detto, "ma sono all'altezza delle aspettative. La batteria del tuo cellulare non durerà più a lungo finché non arriverà la nuova tecnologia."

Ha detto che la foresta di nanotubi del nuovo anodo, con la sua bassa densità e alta superficie, ha molto spazio per far scivolare dentro e fuori le particelle di litio mentre la batteria si carica e si scarica. Il litio è distribuito uniformemente, diffondendo la corrente trasportata dagli ioni nell'elettrolita e sopprimendo la crescita dei dendriti.

Sebbene la capacità della batteria del prototipo sia limitata dal catodo, il materiale dell'anodo raggiunge una capacità di accumulo di litio di 3, 351 milliampere ore per grammo, vicino al massimo teorico e 10 volte quello delle batterie agli ioni di litio, Tour ha detto. A causa della bassa densità del tappeto di nanotubi, la capacità del litio di ricoprire fino al substrato garantisce il massimo utilizzo del volume disponibile, Egli ha detto.

I ricercatori hanno avuto il loro "Aha!" momento nel 2014, quando il co-autore Abdul-Rahman Raji, un ex studente laureato nel laboratorio di Tour e ora ricercatore post-dottorato presso l'Università di Cambridge, iniziò a sperimentare con il litio metallico e l'ibrido grafene-nanotubi.

"Ho pensato che il metallo di litio doveva essere placcato sull'elettrodo mentre analizzavo i risultati degli esperimenti effettuati per immagazzinare ioni di litio nel materiale dell'anodo combinato con un catodo di ossido di litio e cobalto in una cella piena, " Raji ha detto. "Eravamo eccitati perché il profilo di tensione della cella completa era molto piatto. Al momento, sapevamo di aver trovato qualcosa di speciale."

Entro una settimana, Raji e il co-autore Rodrigo Villegas Salvatierra, un ricercatore post-dottorato di riso, hanno depositato il litio metallico in un anodo ibrido autonomo in modo che potessero dare un'occhiata più da vicino con un microscopio. "Siamo rimasti sbalorditi nel non trovare dendriti cresciuti, e il resto è storia, " ha detto Raji.

Per testare l'anodo, il laboratorio Rice ha costruito batterie complete con catodi a base di zolfo che hanno mantenuto l'80% della capacità dopo più di 500 cicli di carica-scarica, circa due anni di utilizzo per un normale utente di telefoni cellulari, Tour ha detto. Le immagini al microscopio elettronico degli anodi dopo il test non hanno mostrato alcun segno di dendriti o strutture simili a muschio che sono state osservate sugli anodi piatti. Ad occhio nudo, gli anodi all'interno delle batterie da un quarto erano scuri quando erano privi di litio metallico e argento quando erano pieni, hanno riferito i ricercatori.

"Molte persone che fanno ricerche sulle batterie fanno solo l'anodo, perché fare l'intero pacchetto è molto più difficile, " Tour ha detto. "Abbiamo dovuto sviluppare una tecnologia catodica commisurata basata sullo zolfo per ospitare questi anodi di litio ad altissima capacità nei sistemi di prima generazione. Stiamo producendo queste batterie piene, catodo più anodo, su scala pilota, e vengono messi alla prova".