Una nuova ricerca condotta dall'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ha identificato un blocco specifico che migliora l'anodo delle batterie agli ioni di litio.
Le proprietà uniche della struttura, costruita con la tecnologia delle nanoparticelle, sono state rivelate e spiegate oggi in Communications Materials.
Potenti, portatili e ricaricabili, le batterie agli ioni di litio sono componenti cruciali della tecnologia moderna, presenti in smartphone, computer portatili e veicoli elettrici. Nel 2019, il loro potenziale di rivoluzionare il modo in cui immagazziniamo e consumiamo energia in futuro, con l'abbandono dei combustibili fossili, è stato riconosciuto in modo particolare, con l'assegnazione del Premio Nobel al nuovo membro del Consiglio dei Governatori dell'OIST, il dottor Akira Yoshino, per il suo lavoro di sviluppo della batteria agli ioni di litio.
Tradizionalmente, per l'anodo di una batteria agli ioni di litio si utilizza la grafite, ma questo materiale di carbonio presenta notevoli limitazioni.
"Quando una batteria viene caricata, gli ioni di litio sono costretti a spostarsi da un lato della batteria - il catodo - attraverso una soluzione elettrolitica verso l'altro lato della batteria - l'anodo. Poi, quando la batteria viene utilizzata, gli ioni di litio si spostano di nuovo nel catodo e la corrente elettrica viene rilasciata dalla batteria", ha spiegato la dottoressa Marta Haro, ex ricercatrice dell'OIST e prima autrice dello studio. "Ma negli anodi di grafite sono necessari sei atomi di carbonio per immagazzinare uno ione di litio, quindi la densità energetica di queste batterie è bassa".
Con la scienza e l'industria che stanno esplorando l'uso di batterie agli ioni di litio per alimentare veicoli elettrici e imbarcazioni aerospaziali, il miglioramento della densità energetica è fondamentale. I ricercatori sono ora alla ricerca di nuovi materiali in grado di aumentare il numero di ioni di litio immagazzinati nell'anodo.
Uno dei candidati più promettenti è il silicio, che può legare quattro ioni di litio per ogni atomo di silicio.
Nella camera 1 vengono coltivate le nanoparticelle di tantalio metallico. All'interno di questa camera, i singoli atomi di tantalio si raggruppano, come nella formazione delle gocce di pioggia. Nella camera 2, le nanoparticelle vengono filtrate in massa, eliminando quelle troppo grandi o troppo piccole. Nella camera 3 viene depositato uno strato di nanoparticelle. Questo strato viene poi "spruzzato" con atomi di silicio isolati, formando uno strato di silicio. Questo processo può essere ripetuto per creare una struttura multistrato. (Schema creato da Pavel Puchenkov, OIST Scientific Computing & Data Analysis Section).
"Gli anodi di silicio possono immagazzinare dieci volte più carica in un dato volume rispetto agli anodi di grafite, un ordine di grandezza superiore in termini di densità energetica", ha dichiarato il dott. "Il problema è che quando gli ioni di litio si spostano nell'anodo, la variazione di volume è enorme, fino a circa il 400%, e questo causa la rottura dell'elettrodo".
La grande variazione di volume impedisce anche la formazione stabile di uno strato protettivo che si trova tra l'elettrolita e l'anodo. Ogni volta che la batteria viene caricata, questo strato deve quindi riformarsi continuamente, consumando la limitata riserva di ioni di litio e riducendo la durata e la ricaricabilità della batteria.
"Il nostro obiettivo era quello di creare un anodo più robusto, in grado di resistere a queste sollecitazioni, di assorbire la maggior quantità possibile di litio e di garantire il maggior numero possibile di cicli di carica prima di deteriorarsi", ha dichiarato il dottor Grammatikopoulos, autore senior dell'articolo. "L'approccio che abbiamo adottato è stato quello di costruire una struttura con nanoparticelle".
In un precedente lavoro, pubblicato nel 2017 su Advanced Science, l'unità Nanoparticles by Design dell'OIST, ora sciolta, ha sviluppato una struttura a strati simile a una torta, in cui ogni strato di silicio era racchiuso tra nanoparticelle metalliche di tantalio. In questo modo è stata migliorata l'integrità strutturale dell'anodo di silicio, impedendo il rigonfiamento eccessivo.
Sperimentando diversi spessori dello strato di silicio per vedere come influiva sulle proprietà elastiche del materiale, i ricercatori hanno notato qualcosa di strano.
"In corrispondenza di uno specifico spessore dello strato di silicio, le proprietà elastiche della struttura sono cambiate completamente", ha dichiarato Theo Bouloumis, attuale dottorando dell'OIST che ha condotto l'esperimento. "Il materiale diventava gradualmente più rigido, ma poi diminuiva rapidamente la sua rigidità quando lo spessore dello strato di silicio veniva ulteriormente aumentato. Avevamo qualche idea, ma all'epoca non conoscevamo la ragione fondamentale di questo cambiamento".
Ora, questo nuovo lavoro fornisce finalmente una spiegazione per l'improvviso picco di rigidità in corrispondenza di uno spessore critico.
Attraverso tecniche di microscopia e simulazioni al computer a livello atomico, i ricercatori hanno dimostrato che gli atomi di silicio depositati sullo strato di nanoparticelle non formano una pellicola uniforme e omogenea. Al contrario, formano colonne a forma di coni rovesciati, che diventano sempre più larghe man mano che vengono depositati altri atomi di silicio. Alla fine, le singole colonne di silicio si toccano, formando una struttura a volta.
"La struttura a volta è forte, proprio come un arco è forte nell'ingegneria civile", ha detto il dottor Grammatikopoulos. "Lo stesso concetto si applica, solo su scala nanometrica".
È importante notare che l'aumento della resistenza della struttura ha coinciso anche con un miglioramento delle prestazioni della batteria. Quando gli scienziati hanno effettuato test elettrochimici, hanno scoperto che la batteria agli ioni di litio aveva una maggiore capacità di carica. Lo strato protettivo era anche più stabile, il che significa che la batteria poteva sopportare più cicli di carica.
Questi miglioramenti si notano solo nel preciso momento in cui le colonne si toccano. Prima di questo momento, le singole colonne sono traballanti e quindi non possono garantire l'integrità strutturale dell'anodo. Inoltre, se la deposizione di silicio continua dopo che le colonne si sono toccate, si crea un film poroso con molti vuoti, che si traduce in un comportamento debole e simile a una spugna.
La rivelazione della struttura a volta e del modo in cui ottiene le sue proprietà uniche non solo rappresenta un importante passo avanti verso la commercializzazione degli anodi di silicio nelle batterie agli ioni di litio, ma ha anche molte altre potenziali applicazioni nell'ambito delle scienze dei materiali.
"La struttura a volta potrebbe essere utilizzata quando sono necessari materiali forti e in grado di resistere a varie sollecitazioni, come ad esempio per i bioimpianti o per immagazzinare l'idrogeno", ha dichiarato il dott. "L'esatto tipo di materiale di cui si ha bisogno - più forte o più morbido, più flessibile o meno flessibile - può essere realizzato con precisione, semplicemente cambiando lo spessore dello strato. Questo è il bello delle nanostrutture".
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Questo articolo è stato pubblicato originariamente dall'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University.
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