I chimici dell'Università di Alberta hanno compiuto un passo fondamentale verso la creazione di una nuova generazione di batterie agli ioni di litio a base di silicio con 10 volte la capacità di carica delle celle attuali.

"Volevamo testare come le diverse dimensioni delle nanoparticelle di silicio potessero influenzare la frattura all'interno di queste batterie, " disse Jillian Buriak, un chimico U of A e una cattedra di ricerca canadese in nanomateriali per l'energia.

Il silicio è promettente per la costruzione di batterie di capacità molto più elevata perché è abbondante e può assorbire molto più litio rispetto alla grafite utilizzata nelle attuali batterie agli ioni di litio. Il problema è che il silicio è soggetto a fratture e rotture dopo numerosi cicli di carica e scarica, perché si espande e si contrae mentre assorbe e rilascia ioni di litio.

La ricerca esistente mostra che modellare il silicio in particelle su nanoscala, fili o tubi aiutano a prevenirne la rottura. Che Buriak, Jonathan Veinot, collega chimico della U of A, e il loro team volevano sapere quali erano le dimensioni necessarie per queste strutture per massimizzare i vantaggi del silicio riducendo al minimo gli svantaggi.

I ricercatori hanno esaminato nanoparticelle di silicio di quattro diverse dimensioni, uniformemente disperso all'interno di aerogel di grafene altamente conduttivi, in carbonio con pori nanoscopici, per compensare la bassa conduttività del silicio. Hanno scoperto che le particelle più piccole, solo tre miliardesimi di metro di diametro, hanno mostrato la migliore stabilità a lungo termine dopo molti cicli di carica e scarica.

"Man mano che le particelle diventano più piccole, abbiamo scoperto che sono in grado di gestire meglio lo sforzo che si verifica quando il silicio "respira" quando si lega e si rilascia con il litio, in bicicletta, " ha spiegato Buriak.

La ricerca ha potenziali applicazioni in "tutto ciò che si basa sullo stoccaggio di energia utilizzando una batteria, " disse Veinot, chi è il direttore del programma di formazione per studenti laureati ATUMS che ha parzialmente supportato la ricerca.

"Immagina un'auto con una batteria delle stesse dimensioni di una Tesla che potrebbe viaggiare 10 volte più lontano o caricare 10 volte meno frequentemente, o la batteria è 10 volte più leggera."

Veinot ha detto che i prossimi passi sono sviluppare un sistema più veloce, modo meno costoso per creare nanoparticelle di silicio per renderle più accessibili per l'industria e gli sviluppatori di tecnologia.

Lo studio, "Dimensioni ed effetti superficiali dei nanocristalli di silicio negli anodi compositi di aerogel di grafene per batterie agli ioni di litio, " è stato pubblicato in Chimica dei materiali .