Batterie al litio metallico, che possono contenere fino a 10 volte più carica rispetto alle batterie agli ioni di litio che attualmente alimentano i nostri telefoni, laptop e automobili, non sono stati commercializzati a causa di un difetto fatale:poiché queste batterie si caricano e si scaricano, il litio si deposita in modo non uniforme sugli elettrodi. Questo accumulo riduce troppo la vita di queste batterie per renderle vitali, e, cosa più importante, può causare il cortocircuito delle batterie e l'incendio.

Ora, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago hanno sviluppato una soluzione a questo problema sotto forma di un "nanosheet" rivestito di ossido di grafene che, quando posizionato tra i due elettrodi di una batteria al litio-metallo, previene la placcatura irregolare del litio e consente alla batteria di funzionare in sicurezza per centinaia di cicli di carica/scarica. Riportano i loro risultati sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

"I nostri risultati dimostrano che i materiali bidimensionali, in questo caso, ossido di grafene:può aiutare a regolare la deposizione di litio in modo tale da prolungare la durata delle batterie al litio-metallo, " disse Reza Shahbazian-Yassar, professore associato di ingegneria meccanica e industriale presso l'UIC College of Engineering e corrispondente autore dell'articolo.

Le batterie al litio metallico sono così utili a causa della loro elevata densità di energia e dei pesi relativamente leggeri rispetto alle batterie convenzionali. Però, nel corso di molti cicli di carica-scarica, il litio si accumula in modo non uniforme sull'elettrodo di litio metallico della batteria in uno schema ramificato o "dendritico" e alla fine provoca l'esaurimento della batteria. Se i dendriti crescono attraverso la soluzione elettrolitica e entrano in contatto con l'altro elettrodo, quindi la batteria potrebbe subire un evento catastrofico, in altre parole, un'esplosione o un incendio.

Nelle batterie agli ioni di litio, un separatore è posto nell'elettrolita. Solitamente costituito da un polimero poroso o da fibre di vetroceramica, il separatore consente il passaggio degli ioni di litio mantenendo bloccati gli altri componenti per evitare cortocircuiti elettrici, che può provocare incendi.

Reza e colleghi hanno utilizzato un separatore modificato in una batteria al litio-metallo per modulare il flusso di ioni di litio per controllare la velocità di deposizione di litio e vedere se potevano prevenire la formazione di dendriti. Hanno rivestito a spruzzo un separatore in fibra di vetro con ossido di grafene, producendo quello che chiamavano un nanofoglio.

Utilizzando la microscopia elettronica a scansione e altre tecniche di imaging, i ricercatori hanno dimostrato che quando il nanofoglio è stato utilizzato in una batteria al litio-metallo, un film uniforme di litio formato sulla superficie dell'elettrodo di litio, che effettivamente migliora la funzione della batteria e rende la batteria molto più sicura, disse Tara Foroozan, uno studente laureato presso l'UIC College of Engineering e primo autore di questo studio.

Simulazioni molecolari, guidato da un team di ricercatori della Texas A &M University, ha suggerito che gli ioni di litio si legano temporaneamente all'ossido di grafene, e poi diffondere attraverso aree di difetti nanoscopici nel foglio. Ciò ritarda il passaggio degli ioni di litio quanto basta per prevenire la formazione di depositi dendritici di litio sull'elettrodo.

"Il nanofoglio rallenta il passaggio degli ioni di litio quanto basta per consentire una placcatura più uniforme sugli ioni di litio sulla superficie dell'elettrodo, che aiuta a preservare la durata della batteria, " disse Reza.

Risultati dei calcoli di modellazione del campo di fase guidati da Farzad Mashayek, professore e capo di ingegneria meccanica e industriale presso l'UIC College of Engineering e autore della carta, indicato che l'ossido di grafene può anche sopprimere meccanicamente la crescita dei dendriti di litio.

"Mostriamo che i materiali bidimensionali di ossido di grafene sono in grado di impedire la formazione di dendriti modificando la velocità di diffusione degli ioni di litio mentre passano attraverso gli strati di ossido di grafene, " ha detto Shahbazian-Yassar. "Questo metodo ha un potenziale molto elevato per l'applicazione industriale e la scalabilità".