CLEMSON, South Carolina - Un'entusiasmante ricerca condotta dagli scienziati della Clemson University potrebbe portare alla creazione di batterie più leggere e a ricarica più rapida, adatte ad alimentare una tuta spaziale o addirittura un rover su Marte.
La ricerca, finanziata dalla NASA, è stata recentemente riportata in un articolo intitolato "Three-Dimensional Si Anodes with Fast Diffusion, High Capacity, High Rate Capability, and Long Cycle Life" (Anodi di Si tridimensionali con diffusione veloce, alta capacità, alta velocità e lunga durata del ciclo), pubblicato sulla rivista Applied Materials and Interfaces dell'American Chemical Society. Tra gli autori figurano Shailendra Chiluwal, Nawraj Sapkota, Apparao M. Rao e Ramakrishna Podila, tutti appartenenti al Clemson Nanomaterials Institute (CNI).
Batterie più leggere e che si ricaricano più velocemente potrebbero essere un modo più efficace per alimentare una tuta spaziale.
Immagine: rendering d'artista della NASA
Podila, professore assistente presso il dipartimento di fisica e astronomia del College of Science, ha dichiarato che le nuove e rivoluzionarie batterie potrebbero presto essere utilizzate nei satelliti statunitensi.
"La maggior parte dei satelliti riceve energia principalmente dal sole", ha detto Podila. "Ma i satelliti devono essere in grado di immagazzinare energia per quando sono all'ombra della Terra. Dobbiamo rendere le batterie il più leggere possibile, perché più pesa il satellite, più costa la sua missione".
Podila ha detto che per comprendere le scoperte del gruppo, si potrebbe visualizzare l'anodo di grafite in una batteria agli ioni di litio come un mazzo di carte, dove ogni carta rappresenta uno strato di grafite che viene utilizzato per immagazzinare la carica fino a quando non è necessaria l'elettricità. Il problema, ha detto Podila, è che "la grafite non può immagazzinare molta carica".
Il team di Clemson ha scelto di lavorare con il silicio, che può accumulare più carica, il che significa che è possibile immagazzinare più energia in celle più leggere. Sebbene gli scienziati apprezzino da tempo l'elevata capacità del silicio di immagazzinare energia, questo materiale si rompe in pezzi più piccoli quando si carica e si scarica. La soluzione proposta dal team prevede l'uso di minuscole particelle di silicio "nanometriche", che aumentano la stabilità e garantiscono una maggiore durata del ciclo. Invece di un mazzo di carte fatto di grafite, le nuove batterie utilizzano strati di un materiale a nanotubi di carbonio chiamato Buckypaper, con le nanoparticelle di silicio inserite nel mezzo.
Con questo tipo di imballaggio interno, anche se le particelle di silicio si rompono, sono "ancora nel sandwich", ha detto Podila.
"I fogli indipendenti di nanotubi di carbonio mantengono le nanoparticelle di silicio collegate elettricamente tra loro", ha dichiarato Shailendra Chiluwal, studente laureato presso il CNI e primo autore dello studio. "Questi nanotubi formano una struttura quasi tridimensionale, tengono insieme le nanoparticelle di silicio anche dopo 500 cicli e attenuano la resistenza elettrica dovuta alla rottura delle nanoparticelle".
L'uso di batterie fatte di silicio e altri nanomateriali non solo aumenta la capacità, ma consente anche di caricare le batterie a una corrente più elevata, il che si traduce in tempi di ricarica più rapidi. Come sa chiunque abbia avuto un cellulare che si è spento nel bel mezzo di una telefonata, questa è una caratteristica importante per la tecnologia delle batterie.
La ricarica più rapida è possibile perché le nuove batterie utilizzano anche i nanotubi come meccanismo tampone che consente una velocità di ricarica quattro volte superiore a quella attuale.
Batterie più leggere, che si ricaricano più velocemente e offrono un'efficienza notevolmente maggiore, non saranno solo una manna per gli astronauti che indossano tute a batteria, ma anche per gli scienziati e gli ingegneri che devono portare gli astronauti a destinazione.
"Il silicio come anodo in una batteria agli ioni di litio rappresenta il 'santo graal' per i ricercatori in questo campo", ha dichiarato Rao, direttore del CNI e ricercatore principale della sovvenzione NASA. Rao ha anche detto che le nuove batterie saranno presto utilizzate nei veicoli elettrici.
"Il nostro prossimo obiettivo è quello di collaborare con partner industriali per tradurre questa tecnologia di laboratorio nel mercato", ha dichiarato Podila, autore corrispondente dello studio e co-investigatore della sovvenzione NASA. "Siamo grati alla NASA e al South Carolina EPSCoR per averci concesso un premio per intraprendere questi progetti che avranno un impatto duraturo sulle missioni spaziali e sul panorama energetico globale".
Questo lavoro è stato finanziato da due diversi premi: un premio NASA-EPSCoR (numero NNH17ZHA002C) e un premio del programma South Carolina EPSCoR/IDeA (numero 18-SR03).
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Questo articolo è stato pubblicato originariamente dal College of Science della Clemson University.
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