Batterie migliori se l'anodo beve come una spugna

I Berkeley Lab hanno realizzato un nuovo tipo di anodo per batterie in grado di assorbire otto volte più litio rispetto alle attuali soluzioni. Questo nuovo componente ha dato dimostrazione di poter mantenere le sue proprietà anche dopo un anno e diverse centinaia di cicli di carica e scarica. Il segreto è tutto in un polimero che conduce l'elettricità e si lega saldamente alle  particelle al silicio che immagazzinano litio, anche se queste si espandono tre volte oltre il loro volume normale durante la carica e poi si restringono nuovamente in fase durante lo scaricamento.

"La maggiore parte delle batterie agli ioni di litio è dotata di anodi fatti di grafite, che sono conduttori di energia e si espandono poco quando ospitano gli ioni tra i propri strati di grafene. Il silicio può immagazzinare energia dieci volte di più, ma il suo volume si dilata più di tre volte quando è completamente caricato", ha dichiarato Gao Liu, ricercatore dei Berkeley Lab e coinvolto nel programma BATT (Batteries for Advanced Transportation Technologies).

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Questo tipo di dilatazione rompe i contatti elettrici nell'anodo, quindi i ricercatori hanno cercato di trovare altri modi per usare il silicio mantenendo invariata la conducibilità elettrica dell'anodo. "I polimeri che conducono energia non sono un'idea nuova, ma gli sforzi precedenti non sono andati a buon fine perché non tenevano conto dell'ambiente rigido in cui operava l'anodo di una batteria agli ioni di litio. In quei casi la maggior parte dei polimeri conduttori funzionava come isolanti".

Così i ricercatori sono arrivati a creare una serie di polimeri conduttori basati su polifluorene (PF) con un gruppo carbonilico funzionale. In queste soluzioni gli ioni di litio interagiscono prima con il polimero, e poi si legano alle particelle di silicio. Quando un atomo di litio si lega al polimero attraverso un gruppo carbonilico (carbonile), dà il suo elettrone al polimero - un processo di dopaggio che migliora la conducibilità elettrica del polimero in modo rilevante, facilitando il trasporto di elettroni e ioni alle particelle di silicio.

Tuttavia in un polimero le proprietà fisiche sono importanti quasi quanto quelle elettriche e perciò gli studiosi hanno aggiunto un altro gruppo funzionale, producendo un polimero in grado di aderire in modo più saldo alle particelle di silicio quando queste acquisiscono o rilasciano ioni di litio e sono soggette a ripetuti cambiamenti di volume.

Il nuovo polimero conduttore ha migliori proprietà leganti. A sinistra le particelle di silicio integrate nel legante prima di un ciclo di carica e scarica, a destra dopo cicli di carica e scarica, con il polimero ancora legato alle particelle in silicio - clicca per ingrandire

Un microscopio elettronico a scansione e uno a trasmissione elettrica hanno mostrato gli anodi dopo 32 cicli di carica-scarica, confermando che il polimero modificato aderisce con forza durante l'operatività della batteria, anche quando le particelle in silicio si espandono e contraggono ripetutamente. Test e simulazioni hanno poi provato che il miglioramento delle proprietà meccaniche non influisce su quelle elettriche.

L'aspetto ancora più interessante di questa scoperta è che il nuovo anodo PF non è solo superiore alle soluzioni attuali, ma anche più economico e il suo processo di produzione è compatibile con le tecnologie attuali. "Il valore commerciale del polimero è già stato riconosciuto dalle principali aziende del settore e le sue possibili applicazioni si estendono ben oltre gli anodi in silicio". Purtroppo gli studiosi non hanno fornito altri dettagli, quindi non sappiamo quando vedremo batterie di nuova concezione dotate di questo anodo "miracoloso".