Una nuova struttura a triplo strato potrebbe rendere più efficienti, economiche e durature le batterie agli ioni di litio. A sviluppare la tecnologia è stata l’équipe di ricerca di Yuan Yang, docente di scienze dei materiali e di ingegneria presso la Columbia Engineering, negli USA.

Il nuovo metodo potrebbe incrementare dal 10 al 30% la densità energetica delle batterie, riducendo i costi di fabbricazione e rendendole più stabili e durature. La struttura innovativa, descritta sulla rivista Nano Letters, mira a ridurre la perdita di capacità del 5-20% che si verifica nelle batterie agli ioni di litio al primo ciclo di ricarica completo.

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Durante il primo ciclo di ricarica una porzione dell’elettrolita liquido viene ridotta allo stato solido, ricoprendo l’elettrodo negativo. Si tratta di un processo irreversibile che riduce la capacità di immagazzinamento di energia della batteria. Nelle nuove generazioni di elettrodi negativi ad alta capacità, come quelli al silicio, le perdite in questa fase possono arrivare al 30% per via del grande volume e della superficie molto estesa.

La perdita di capacità iniziale riduce le prestazioni della batteria, incidendo negativamente sulla densità e sul ciclo di vita degli elettrodi nanostrutturati. Per risolvere il problema nell’elettrodo solitamente vengono inseriti dei materiali ricchi di litio, che purtroppo non sono molto stabili e fanno lievitare i costi delle batterie.

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L’équipe di Yang ha sviluppato una nuova struttura a triplo strato che consente di fabbricare facilmente gli anodi arricchiti con litio. Il litio è stato protetto dagli agenti atmosferici con uno strato polimerico a base di PMMA, che previene la reazione del materiale con l’aria e con l’umidità.

Il PMMA a sua volta è stato ricoperto da materiali attivi come la grafite artificiale o le nanoparticelle di silicio. Lo strato di PMMA è stato dissolto nell’elettrolita, esponendo il litio ai materiali dell’elettrodo. Come illustra Yang:

Questa tecnica evita ogni contatto con l’aria del litio e dell’elettrodo arricchito con il litio, riducendo i problemi di stabilità e aprendo alla produzione su scala industriale degli elettrodi in litio.

La perdita di capacità degli elettrodi in grafite si è ridotta dall’8% allo 0,3%. Negli elettrodi in silicio la perdita è passata da una percentuale del 13% al -15%. Questa percentuale negativa indica che c’è più litio del necessario. Il litio in eccesso può essere sfruttato per allungare il ciclo di vita delle batterie, compensando le perdite a ogni nuova ricarica.

Negli ultimi 25 anni la densità delle batterie agli ioni di litio è cresciuta del 5-7% all’anno. Questo nuovo metodo secondo gli scienziati americani potrebbe aumentare ulteriormente l’efficienza della tecnologia. I ricercatori stanno studiando una soluzione per usare il metodo su scala più ampia e per ridurre lo spessore dello strato polimerico, in modo da occupare meno spazio nella batteria.

28 ottobre 2016
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