Ricercatori della Queen Mary University di Londra, L'Università di Cambridge e il Max Planck Institute for Solid State Research hanno scoperto come utilizzare un pizzico di sale per migliorare drasticamente le prestazioni delle batterie.

Hanno scoperto che l'aggiunta di sale all'interno di una spugna supermolecolare e poi la cottura ad alta temperatura trasformava la spugna in una struttura a base di carbonio.

Sorprendentemente, il sale ha reagito con la spugna in modi speciali e l'ha trasformata da una massa omogenea a una struttura intricata di fibre, puntoni, pilastri e reti. Questo tipo di struttura del carbonio organizzata gerarchicamente in 3D si è rivelata molto difficile da coltivare in laboratorio, ma è fondamentale per fornire un trasporto di ioni senza ostacoli ai siti attivi in ​​una batteria.

Nello studio, pubblicato in JACS ( Giornale della Società Chimica Americana ), i ricercatori dimostrano che l'uso di questi materiali nelle batterie agli ioni di litio non solo consente di ricaricare rapidamente le batterie, ma ma anche ad una delle più alte capacità.

A causa della loro intricata architettura, i ricercatori hanno chiamato queste strutture "nano-diatomee", e ritengono che potrebbero essere utilizzati anche nell'immagazzinamento e nella conversione dell'energia, ad esempio come elettrocatalizzatori per la produzione di idrogeno.

L'autore principale e capo progetto Dr. Stoyan Smoukov, dalla Queen Mary's School of Engineering and Materials Science, ha dichiarato:"Questa metamorfosi avviene solo quando riscaldiamo i composti a 800 gradi centigradi ed è stata inaspettata come la schiusa di draghi nati dal fuoco invece di ottenere uova al forno nel Trono di Spade. È molto soddisfacente che dopo la sorpresa iniziale, abbiamo anche scoperto come controllare le trasformazioni con la composizione chimica."

Carbonio, tra cui grafene e nanotubi di carbonio, è una famiglia dei materiali più versatili in natura, utilizzato nella catalisi e nell'elettronica a causa della sua conduttività e stabilità chimica e termica.

Le nanostrutture 3-D a base di carbonio con più livelli di gerarchia non solo possono mantenere proprietà fisiche utili come una buona conduttività elettronica, ma possono anche avere proprietà uniche. Questi materiali 3-D a base di carbonio possono presentare una migliore bagnabilità (per facilitare l'infiltrazione di ioni), elevata resistenza per unità di peso, e vie direzionali per il trasporto di fluidi.

È, però, molto impegnativo realizzare strutture gerarchiche multilivello basate sul carbonio, in particolare attraverso semplici vie chimiche, tuttavia queste strutture sarebbero utili se tali materiali dovessero essere prodotti in grandi quantità per l'industria.

La spugna supermolecolare utilizzata nello studio è anche nota come materiale per struttura metallica organica (MOF). Questi MOF sono attraenti, materiali porosi progettati a livello molecolare con molte applicazioni promettenti come lo stoccaggio e la separazione di gas. La conservazione di un'elevata superficie dopo la carbonizzazione o la cottura ad alta temperatura li rende interessanti come materiali per elettrodi per batterie. Però, finora la carbonizzazione dei MOF ha preservato la struttura delle particelle iniziali come quella di una densa schiuma di carbonio. Aggiungendo sali a queste spugne MOF e carbonizzandole, i ricercatori hanno scoperto una serie di materiali a base di carbonio con più livelli di gerarchia.

Dott. R. Vasant Kumar, un collaboratore allo studio dell'Università di Cambridge, ha commentato:"Questo lavoro spinge l'uso dei MOF a un nuovo livello. La strategia per strutturare i materiali di carbonio potrebbe essere importante non solo nello stoccaggio dell'energia ma anche nella conversione dell'energia, e percependo."

Autore principale, Tiesheng Wang (王铁胜), dell'Università di Cambridge, ha detto:"Potenzialmente, potremmo progettare nano-diatomee con le strutture desiderate e i siti attivi incorporati nel carbonio poiché ci sono migliaia di MOF e sali da selezionare".