I ricercatori dell'Università della Finlandia orientale hanno sviluppato un nuovo materiale ibrido di microparticelle di silicio mesoporoso e nanotubi di carbonio che possono migliorare le prestazioni del silicio nelle batterie agli ioni di litio. I progressi nella tecnologia delle batterie sono essenziali per lo sviluppo sostenibile e per raggiungere la neutralità climatica.

Gli Stati e le aziende di tutto il mondo sono alla ricerca di tecnologie nuove e sostenibili per raggiungere la neutralità climatica in ogni settore della società, che vanno dal trasporto e produzione di materiali di consumo alla produzione di energia. Una volta prodotta energia verde, deve essere memorizzato prima di poter essere utilizzato in applicazioni portatili. In questo passaggio, la tecnologia delle batterie svolge un ruolo essenziale nel rendere il consumo di energia verde una valida alternativa.

Nel futuro, il silicio sostituirà gradualmente il carbonio come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio (LIB). Questo sviluppo è guidato dal fatto che la capacità del silicio è dieci volte superiore alla capacità della grafite, che è oggi utilizzato come materiale anodico nei LIB. L'utilizzo del silicio nell'anodo consente di raddoppiare persino la capacità della cella totale della batteria. Però, il silicio sta affrontando gravi sfide nella tecnologia delle batterie a causa delle sue proprietà instabili del materiale. Inoltre, finora non è disponibile alcuna tecnologia per produrre anodi fattibili esclusivamente dal silicio.

Per ridurre al minimo l'effetto riducente delle alte velocità di carica sulla capacità degli anodi di silicio, i ricercatori dell'Università della Finlandia orientale hanno sviluppato un materiale ibrido di microparticelle di silicio mesoporoso (PSi) e nanotubi di carbonio (CNT). Secondo i ricercatori, il materiale ibrido deve essere realizzato mediante coniugazione chimica di PSi e CNT con la giusta polarità in modo da non ostacolare la diffusione degli ioni litio nel silicio. Con il giusto tipo di coniugazione, anche la conducibilità elettrica e la durata meccanica del materiale sono state migliorate. Ulteriore, le microparticelle PSi utilizzate nel materiale ibrido sono state prodotte dalla cenere di lolla d'orzo per ridurre al minimo l'impronta di carbonio del materiale dell'anodo e per supportarne la sostenibilità. Il silicio è stato prodotto attraverso un semplice processo di riduzione magnesiotermico applicato ai fitoliti che sono strutture amorfe di silice porosa che si trovano in abbondanza nella lolla di cenere. I risultati sono stati pubblicati in Rapporti scientifici e Chimica e fisica dei materiali .

Prossimo, i ricercatori mirano a produrre un anodo di silicio completo con un elettrolita solido per affrontare le sfide relative alla sicurezza dei LIB e all'interfaccia instabile dell'elettrolita solido (SEI).

"I progressi della ricerca LIB sono molto entusiasmanti, e vogliamo contribuire al campo con il nostro know-how relativo alle strutture mesoporose del silicio. Auspicabilmente, l'UE investirà di più nella ricerca di base sulle batterie per aprire l'onda a batterie ad alte prestazioni e per sostenere la competitività dell'Europa in questo campo. La roadmap per la batteria 2030+ sarebbe essenziale per sostenere questo progresso, " afferma il professor Vesa-Pekka Lehto dell'Università della Finlandia orientale.