Più forti insieme: gli elettrodi interconnessi spingono la durata delle batterie al silicio oltre ogni limite
In termini pratici, ciò significa che i veicoli elettrici possono viaggiare più lontano e gli smartphone possono funzionare più a lungo utilizzando la stessa batteria
Con l'aumento della domanda di batterie che immagazzinino più energia e durino più a lungo, per alimentare veicoli elettrici, droni e sistemi di stoccaggio dell'energia, un team di ricercatori sudcoreani ha introdotto un approccio innovativo per superare una delle principali limitazioni delle tradizionali batterie agli ioni di litio (LIB): le interfacce instabili tra elettrodi ed elettroliti.
La maggior parte degli attuali dispositivi elettronici di consumo, come smartphone e computer portatili, si basa su batterie a base di grafite. Sebbene la grafite offra stabilità a lungo termine, la sua capacità energetica è insufficiente. Il silicio, invece, è in grado di immagazzinare una quantità di ioni di litio dieci volte superiore, il che lo rende un promettente materiale anodico di prossima generazione. Tuttavia, il principale svantaggio del silicio è la sua forte espansione e contrazione di volume durante la carica e la scarica, con un rigonfiamento fino a tre volte le dimensioni originali. Questa ripetuta espansione e contrazione provoca lacune meccaniche tra l'elettrodo e l'elettrolita, degradando rapidamente le prestazioni della batteria.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno studiato la possibilità di sostituire gli elettroliti liquidi con elettroliti solidi o quasi-solidi (QSSE), che offrono maggiore sicurezza e stabilità. Tuttavia, i QSSE fanno ancora fatica a mantenere un contatto completo con il silicio che si espande e si contrae, causando una separazione e una perdita di prestazioni nel tempo.
Ora, un team di ricerca in collaborazione con la POSTECH (Pohang University of Science and Technology) e la Sogang University ha sviluppato un sistema di elettrodi-elettrolita in situ (IEE) che forma legami chimici covalenti tra l'elettrodo e l'elettrolita. A differenza delle batterie convenzionali, in cui i componenti si limitano a toccarsi, il sistema IEE li lega in una struttura chimicamente intrecciata, come mattoni tenuti insieme da una malta indurita, in modo che rimangano saldamente connessi anche sotto forti sollecitazioni meccaniche.
I test sulle prestazioni elettrochimiche hanno mostrato una differenza notevole: mentre le batterie tradizionali perdono capacità dopo pochi cicli di carica e scarica, quelle che utilizzano il progetto IEE mantengono una stabilità a lungo termine. In particolare, la cella a sacchetto basata sull'IEE ha dimostrato una densità energetica di 403,7 Wh/kg e 1300 Wh/L, che rappresenta una densità energetica gravimetrica superiore di oltre il 60% e una densità energetica volumetrica quasi doppia rispetto alle tipiche LIB commerciali. In termini pratici, ciò significa che i veicoli elettrici possono viaggiare più lontano e gli smartphone possono funzionare più a lungo utilizzando una batteria delle stesse dimensioni.
"Questo studio offre una nuova direzione per i sistemi di accumulo di energia di prossima generazione che richiedono contemporaneamente un'elevata densità energetica e una durata a lungo termine", ha dichiarato il professor Soojin Park del POSTECH, che ha collaborato allo studio. Il professor Jaegeon Ryu della Sogang University ha aggiunto: "La strategia IEE è una tecnologia chiave che potrebbe accelerare la commercializzazione delle batterie a base di silicio, migliorando significativamente la stabilità interfacciale".
Questa ricerca è stata guidata dal professor Soojin Park (Dipartimento di Chimica, POSTECH), dal dottor Dong-Yeob Han, dal dottor Im-Kyung Han (Dipartimento di Scienza dei Materiali, POSTECH) e dal professor Jaegeon Ryu (Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, Sogang University). I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Advanced Science, con il supporto del Korea Institute of Materials Science e del Korea Institute for Advancement of Technology.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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