Un nuovo design di batteria agli ioni di litio potrebbe alimentare veicoli elettrici e dispositivi portatili di maggiore durata

In uno studio pubblicato su ACS Applied Energy Materials, i ricercatori hanno presentato un nuovo anodo per batterie agli ioni di litio che offre una capacità di immagazzinamento dell'energia tra le più elevate mai registrate per sistemi di nanotubi di silicio e carbonio, mantenendo la stabilità per centinaia di cicli di carica.

Le batterie agli ioni di litio alimentano gran parte della tecnologia moderna, dagli smartphone agli indossabili, fino ai veicoli elettrici. La grafite, il materiale anodico più comunemente usato, è stabile ma limitato nella quantità di energia che può immagazzinare. Il silicio, invece, offre una capacità di gran lunga superiore, ma si espande durante la carica, causando crepe e degrado nel tempo.

Per ovviare a questo problema, il team di ricerca ha sviluppato una nuova struttura "Vertically Integrated Silicon-Carbon Nanotube" (VISiCNT). Il progetto fa crescere dense foreste di nanotubi di carbonio direttamente su un foglio di rame e le ricopre con un sottile strato di silicio, creando un'impalcatura flessibile e conduttiva che può assorbire l'espansione mantenendo le prestazioni.

L'anodo risultante può immagazzinare una quantità di energia molto elevata per il suo peso. Nei test di laboratorio, ha immagazzinato più di 3500 milliampere-ora per grammo - vicino al massimo possibile per il silicio e molto più alto della grafite (370 mAh/g) usata nelle batterie di oggi. Inoltre, ha dimostrato una maggiore stabilità e prestazioni in caso di ripetuti cicli di carica.

Il dottor Muhammad Ahmad, ricercatore presso l'ATI dell'Università del Surrey e autore principale dello studio, ha dichiarato: "C'è stata una crescente spinta all'innovazione delle batterie, poiché molte delle tecnologie attuali sono limitate dalla quantità di energia che le batterie possono immagazzinare. Il nostro progetto VISiCNT offre una via pratica per sfruttare l'enorme capacità di immagazzinamento del silicio senza sacrificare la durata del ciclo".

"Si tratta di un'innovazione di cui si sentiva il bisogno, che offre una capacità molto elevata, una ricarica rapida e una durata a lungo termine, avvicinandoci a batterie in grado di alimentare i veicoli elettrici e i dispositivi di uso quotidiano per molto più tempo con una singola carica".

Un vantaggio fondamentale del nuovo approccio è che i nanotubi di carbonio vengono coltivati direttamente sul rame - il materiale già utilizzato nelle batterie commerciali - utilizzando un processo di produzione scalabile. Ciò potrebbe facilitare l'integrazione della tecnologia nelle linee di produzione industriali esistenti.

Il professor Ravi Silva, ricercatore principale e direttore dell'ATI, ha dichiarato: "Questo lavoro è un passo importante per portare gli anodi di CNT-silicio fuori dal laboratorio e nella produzione reale. Siamo in grado di far crescere strutture di nanotubi di carbonio direttamente su fogli di rame a velocità elevata e di adattare lo strato di silicio alla stabilità, il che significa che questo approccio potrebbe essere integrato nelle linee di produzione delle batterie esistenti con un'interruzione minima. Questa tecnologia ha un chiaro potenziale non solo per i veicoli elettrici, ma anche per l'accumulo in rete e per le batterie più piccole utilizzate nella microelettronica.

"Siamo molto orgogliosi di presentare un'altra tecnologia CNT dopo le nostre ricerche iniziali per la realizzazione del materiale più scuro al mondo, VANTA-Black, attraverso lo spin-out universitario Surrey NanoSystems Ltd., che sta dimostrando l'impatto reale della ricerca fondamentale finanziata dall'UKRI".

Con l'aumento della domanda di accumulo di energia, le batterie dovranno immagazzinare più energia, caricarsi più velocemente e durare più a lungo per sostenere la transizione del Regno Unito verso la rete zero. Il progetto VISiCNT offre una strada promettente per affrontare queste sfide e potrebbe essere fondamentale per alimentare i veicoli e i telefoni elettrici di prossima generazione.