Rappresentazione artistica di una batteria a bottone con un elettrodo di rame (a sinistra) contenente una struttura a nanocatena nera, che i ricercatori hanno scoperto potrebbe aumentare la capacità di una batteria e ridurre i tempi di ricarica. Credito:illustrazione della Purdue University/Henry Hamann
La durata della batteria del telefono o del computer dipende da quanti ioni di litio possono essere immagazzinati nel materiale dell'elettrodo negativo della batteria. Se la batteria esaurisce questi ioni, non può generare una corrente elettrica per far funzionare un dispositivo e alla fine si guasta.
I materiali con una maggiore capacità di accumulo di ioni di litio sono troppo pesanti o di forma sbagliata per sostituire la grafite, il materiale degli elettrodi attualmente utilizzato nelle batterie odierne.
Scienziati e ingegneri della Purdue University hanno introdotto un potenziale modo in cui questi materiali potrebbero essere ristrutturati in un nuovo design di elettrodi che consentirebbe loro di aumentare la durata della batteria, renderlo più stabile e ridurre il tempo di ricarica.
Lo studio, apparendo come copertina del numero di settembre di Nanomateriali applicati , ha creato una struttura a rete, chiamato "nanocatena, "di antimonio, un metalloide noto per aumentare la capacità di carica degli ioni di litio nelle batterie.
I ricercatori hanno confrontato gli elettrodi a nanocatena con gli elettrodi di grafite, scoprendo che quando le batterie a bottone con l'elettrodo a nanocatena sono state caricate solo per 30 minuti, hanno raggiunto il doppio della capacità agli ioni di litio per 100 cicli di carica-scarica.
Alcuni tipi di batterie commerciali utilizzano già compositi carbonio-metallo simili agli elettrodi negativi in metallo antimonio, ma il materiale tende ad espandersi fino a tre volte in quanto assorbe ioni di litio, facendolo diventare un pericolo per la sicurezza mentre la batteria si carica.
Un nuovo metodo potrebbe consentire a materiali migliori di comporre gli elettrodi della batteria convertendoli in una struttura a nanocatena, il materiale nero su questo elettrodo di rame di una cella a bottone. Credito:Purdue University / Kayla Wiles
"Vuoi ospitare quel tipo di espansione nelle batterie del tuo smartphone. In questo modo non ti porterai dietro qualcosa di pericoloso, " ha detto Vilas Pol, un professore associato di ingegneria chimica alla Purdue.
Attraverso l'applicazione di composti chimici, un agente riducente e un agente nucleante, gli scienziati di Purdue hanno collegato le minuscole particelle di antimonio in una forma di nanocatena che avrebbe consentito l'espansione richiesta. Il particolare agente riducente utilizzato dal team, ammoniaca-borano, è responsabile della creazione degli spazi vuoti, i pori all'interno della nanocatena, che consentono l'espansione e sopprimono il guasto dell'elettrodo.
Il team ha applicato ammoniaca-borano a diversi composti di antimonio, scoprendo che solo il cloruro di antimonio produceva la struttura della nanocatena.
"La nostra procedura per produrre le nanoparticelle fornisce costantemente le strutture della catena, " disse P. V. Ramachandran, professore di chimica organica alla Purdue.
La nanocatena inoltre mantiene stabile la capacità degli ioni di litio per almeno 100 cicli di carica-scarica. "Essenzialmente non c'è alcun cambiamento dal ciclo 1 al ciclo 100, quindi non abbiamo motivo di pensare che il ciclo 102 non sarà lo stesso, " ha detto Pol.
Henry Hamann, uno studente laureato in chimica alla Purdue, sintetizzato la struttura della nanocatena di antimonio e Jassiel Rodriguez, un candidato post-dottorato in ingegneria chimica della Purdue, testato le prestazioni della batteria elettrochimica.
Il design dell'elettrodo ha il potenziale per essere scalabile per batterie più grandi, dicono i ricercatori. Il team prevede di testare il progetto in seguito con batterie a celle a sacchetto.
