Gladys López-Silva, studentessa laureata alla Rice University, tiene in mano un anodo di litio metallico con un film di nanotubi di carbonio. Una volta che il film è allegato, viene infiltrato dagli ioni di litio e diventa rosso. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Gli scienziati della Rice University contano su pellicole di nanotubi di carbonio per produrre batterie al litio metallico a ricarica rapida un sostituto logico per le comuni batterie agli ioni di litio.
Il laboratorio Rice del chimico James Tour ha mostrato che i film sottili di nanotubi bloccano efficacemente i dendriti che crescono naturalmente dagli anodi di litio metallico non protetti nelle batterie. Col tempo, questi dendriti simili a tentacoli possono perforare il nucleo elettrolitico della batteria e raggiungere il catodo, causando il guasto della batteria.
Questo problema ha smorzato l'uso del litio metallico nelle applicazioni commerciali e incoraggiato i ricercatori di tutto il mondo a risolverlo.
Il metallo al litio si carica molto più velocemente e contiene circa 10 volte più energia in volume rispetto agli elettrodi agli ioni di litio che si trovano in quasi tutti i dispositivi elettronici, compresi cellulari e auto elettriche.
"Uno dei modi per rallentare i dendriti nelle batterie agli ioni di litio è limitare la velocità di ricarica, " Tour ha detto. "La gente non piace. Vogliono essere in grado di ricaricare rapidamente le batterie".
La risposta del team Rice, dettagliato in Materiale avanzato , è semplice, poco costoso e molto efficace nel fermare la crescita dei dendriti, Tour ha detto.
"Quello che abbiamo fatto si è rivelato davvero facile, " ha detto. "Basta rivestire una lamina di metallo al litio con una pellicola di nanotubi di carbonio a parete multipla. Il litio droga il film di nanotubi, che da nero diventa rosso, e il film a sua volta diffonde gli ioni di litio."
Le immagini al microscopio di anodi di litio metallico dopo 500 cicli di carica/scarica nei test della Rice University mostrano che la crescita dei dendriti viene spenta nell'anodo a sinistra, protetto da un film di nanotubi di carbonio. L'anodo di litio metallico non protetto a destra mostra segni di crescita di dendriti. Credito:Tour Group/Rice University
"Il contatto fisico con il litio metallico riduce il film di nanotubi, ma lo bilancia aggiungendo ioni di litio, " ha detto il ricercatore postdottorato di Rice Rodrigo Salvatierra, co-autore principale del documento con la studentessa Gladys López-Silva. "Gli ioni si distribuiscono in tutto il film di nanotubi".
Quando la batteria è in uso, il film scarica gli ioni immagazzinati e l'anodo di litio sottostante lo riempie, mantenendo la capacità del film di fermare la crescita dei dendriti.
James Tour, chimico della Rice University, sinistra, la studentessa laureata Gladys López-Silva e il ricercatore post-dottorato Rodrigo Salvatierra utilizzano un film di nanotubi di carbonio per prevenire la crescita di dendriti nelle batterie al litio metallico, che si caricano più velocemente e mantengono più potenza rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Credito:Jeff Filtow/Rice University
Il film di nanotubi aggrovigliati ha estinto efficacemente i dendriti in oltre 580 cicli di carica/scarica di una batteria di prova con un catodo di carbonio solforato sviluppato dal laboratorio in esperimenti precedenti. I ricercatori hanno riferito che le celle completamente al litio metallico hanno mantenuto il 99,8 percento della loro efficienza coulombica, la misura di quanto bene gli elettroni si muovono all'interno di un sistema elettrochimico.
