Batterie al litio: una scoperta le rende 8 volte più capienti!

Ecologia e Risparmio Energetico     Autore: Thomas Zaffino Aggiungi un commento

Le batterie al litio imperano ormai in tutti i dispositivi elettronici: smartphone, Pc portatili, auto elettriche ecc. La necessità di aumentare l’autonomia dei dispositivi e la longevità delle batterie, da una parte, unita a quella di abbassarne i costi, ad esempio nel settore della mobilità, sono al centro di numerose ricerche in laboratori di tutto il mondo.

Un team di scienziati dell’US Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory, più comunemente noto come Berkeley Lab, ha progettato un nuovo tipo di anodo in grado di assorbire 8 volte la quantità di litio delle soluzioni attuali, mantenendo inalterata la capacità energetica dopo oltre un anno di test e centinaia di cicli di carica.

L’anodo è un componente fondamentale per lo stoccaggio di energia nelle batterie litio-ioni. Il segreto consiste nell’uso di un polimero ad hoc, che conduce l’elettricità e si lega al processo di memorizzazione del litio alle particelle di silicio, anche quando queste ultime espandono il loro volume, fino a 3 volte, durante il processo di ricarica per poi contrarsi di nuovo durante il processo di scarica.

 

Polimero

Differenti approcci tecnici per affrontare le variazioni di volume dei materiali nelle batterie al litio. (a) L'approccio tradizionale prevede l'uso di acetilene come additivo conduttivo e di un polimero PVDF come legante meccanico. (b) Polimero conduttivo con doppia funzionalità, conduzione e legante: mantiene sia l'integrità di carica sia quella meccanica dell'elettrodo, durante i cicli di carica della batteria. (c) La struttura molecolare dei polimeri conduttivi FP, con un gruppo funzionale carbonile (PFFOMB), ed un gruppo acetilene (PFFO), per aumentare la conduttività elettrica e migliorare l'aderenza.

 

Il nuovo tipo di anodo è costituito da materiali a basso costo, compatibile con gli standard di produzione delle batteria al litio. Il team di ricerca ha pubblicato le conclusioni sui materiali avanzati, ora disponibili online.

«Gli anodi della maggior parte delle attuali batterie al litio è fatto di grafite, un buon conduttore di elettricità ma che si espande in maniera piuttosto modesta quando gli ioni vengono alloggiati negli strati di grafene. – ha dichiarato Gao Liu, ricercatore presso i Berkeley Lab – Il silicio ha una capacità 10 volte maggiore, di gran lunga la più elevata tra i materiali usati per le batterie agli ioni di litio, ma subisce una dilatazione di oltre tre volte il proprio volume, durante con una carica completa».

Questo tipo di espansione provoca rotture nei contatti elettrici dell’anodo, per cui i ricercatori si sono concentrati sulla ricerca di altri modi per l’utilizzo del silicio, cercando di preservarne la conducibilità. Sono stati trovati numerosi approcci, alcuni dei quali hanno però costi proibitivi.

 

Polimero

I risultati dei test e delle simulazioni eseguite hanno dimostrato che il miglioramento delle proprietà meccaniche non influisce su quelle elettriche.

 

Una soluzione a basso costo si è ottenuta mescolando particelle di silicio con un legante polimerico flessibile, con l’aggiunta di un gruppo carbonilico per la conduttività elettricità. Purtroppo, il ripetersi dei processi di espansione e contrazione delle particelle di silicio, se da una parte acquisisce e rilascia gli ioni di litio, dall’altra espelle le particelle del gruppo carbonilico aggiunto. Ciò ha suggerito la ricerca di un legante polimerico flessibile, capace di condurre elettricità senza l’aggiunta di carbonio.

Il gruppo di ricerca ha progettato una serie di polimeri conduttori polyfluorene-based (FP). Tali soluzioni prevedono che gli ioni di litio interagiscono prima con il polimero, per poi legarsi alle particelle di silicio. Quando uno ione di litio si lega al polimero, attraverso un gruppo carbonilico, cede il proprio elettrone al polimero, un processo di drogaggio che aumenta la conducibilità elettrica del polimero in maniera rilevante, facilitando in tal modo il trasporto di elettroni e ioni verso le particelle di silicio.

Le proprietà fisiche di un polimero sono importanti quanto quelle elettriche. Gli studiosi hanno pertanto aggiunto un ulteriore gruppo funzionale, producendo un polimero in grado di meglio aderire alle particelle di silicio, durante le fasi di acquisizione e rilascio degli ioni di litio, mentre sono soggette a continue variazioni di volume.

 

Polimero

Osservando l’anodo con un microscopio elettronico a scansione ed uno a trasmissione elettrica, dopo 32 cicli di carica, il polimero modificato risulta perfettamente aderente durante l’operatività della batteria, anche durante le fasi di espansione e contrazione delle particelle di silicio.

 

Grazie ad un microscopio elettronico a scansione, e ad uno a trasmissione elettrica, osservando l’anodo, si è potuto vedere, dopo 32 cicli di carica, come il polimero modificato aderisca perfettamente durante l’operatività della batteria, anche durante le fasi di espansione e contrazione delle particelle di silicio. Alcuni test e simulazioni  hanno successivamente dimostrato che il miglioramento delle proprietà meccaniche non influisce su quelle elettriche.

L’aspetto più interessante della scoperta è che il nuovo anodo PF, oltre ad essere più efficiente rispetto alle attuali soluzioni, è anche più economico. Il processo di produzione è inoltre compatibile con le tecnologie normalmente utilizzate. Ciò ne rende possibile l’utilizzo anche a livello commerciale, anche se non si conoscono ancora i tempi di rilascio delle tecnologia su larga scala.

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Un commento

  1. Anonimo

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