Ricercatori del MIT - guidati dal professore Yang Shao-Horn, in collaborazione con Paula Hammond e gli studenti Seung Woo Lee e Naoaki Yabuuchi - hanno rilevato che i nanotubi al carbonio permettono di aumentare fino a 10 volte l'energia prodotta da una normale batteria agli ioni di litio.
Per produrre il nuovo elettrodo i ricercatori hanno usato un metodo di fabbricazione strato su strato (layer by layer), nel quale un materiale base viene immerso alternativamente in soluzioni con nanotubi al carbonio trattati con composti organici semplici. Queste soluzioni danno agli strati la carica positiva o quella negativa. Gli strati alternati sulla superficie si legano insieme a causa delle cariche complementari, formando una pellicola stabile e duratura.
Le batterie come quelle agli ioni di litio sono basate su tre componenti: due elettrodi (anodo e catodo) separati da un elettrolita, un materiale nel quale gli ioni si possono muovere facilmente. Quando le batterie sono attive, gli ioni di litio caricati positivamente si spostano all'interno dell'elettrolita verso il catodo, creando una corrente elettrica. Quando la batteria viene ricaricata, la corrente esterna sposta gli ioni dalla parte opposta, riconducendoli nell'anodo.
Negli elettrodi della nuova batteria i nanotubi al carbonio si assemblano spontaneamente in una struttura altamente legata che in scala nanometrica è porosa. I nanotubi al carbonio hanno inoltre sulla loro superficie diversi gruppi di ossigeno, i quali possono immagazzinare un grande numero di ioni di litio; tutto questo permette di usare i nanotubi al carbonio per la prima volta come elettrodo positivo all'interno delle batterie agli ioni di litio, anziché solo come elettrodo negativo.
"Il processo di assemblaggio spontaneo elettrostatico è importante", spiega il professore Hammond, "perché solitamente i nanotubi al carbonio tendono a legarsi su una superficie in fasci, lasciando minore superficie esposta per la reazione. Integrando le molecole organiche nei nanotubi, quest'ultimi si assemblano in un modo tale da avere elevato grado di porosità in presenza di un elevato numero di nanotubi".
Le batterie al litio con il nuovo materiale dimostrano alcuni dei vantaggi dei condensatori e della batterie agli ioni di litio. L'output di energia per un dato peso è 5 volte maggiore rispetto a quella dei condensatori standard e l'energia totale fornita è 10 volte maggiore a quella delle batteria agli ioni di litio. Queste prestazioni possono essere attribuite a una buona conduzione degli ioni e degli elettroni all'interno dell'elettrodo e a un immagazzinamento efficiente del litio sulla superficie dei nanotubi.
Oltre all'output elevato di energia, gli elettrodi formati dai nanotubi al carbonio hanno mostrato anche una buona stabilità nel tempo. Dopo 1000 cicli di carica e scarica non ci sono stati cambiamenti visibili nelle prestazioni del materiale.
Gli elettrodi prodotti dal team hanno uno spessore di pochi micron e i miglioramenti sono stati riscontrati solo con elevati livelli di output energetico. In futuro il team vuole produrre elettrodi più spessi ed estendere le prestazioni raggiunte anche ad output a bassa energia.
Secondo il team di ricercatori il processo di creazione di questi elettrodi potrebbe essere velocizzato, spruzzando gli strati alternati su un nastro di materiale in movimento. La tecnica è attualmente al vaglio in laboratorio.
Questa modifica potrebbe avvicinare questa innovazione al processo di produzione commerciale. Inoltre potrebbe facilitare la realizzazione di elettrodi più spessi dotati di maggiore capienza energetica. "Non c'è un vero limite allo spessore potenziale. L'unico limite è il tempo che serve per produrre gli strati e la nuova tecnica può essere fino a 100 volte più rapida di quella a immersione".
Questi elettrodi potrebbero trovare applicazione inizialmente in piccoli dispositivi portatili, ma il progresso della ricerca potrebbe condurli anche in batterie per applicazioni che necessitano di maggiore energia, come le macchine ibride.
Bruno Scrosati, esperto dell'Università "La Sapienza" di Roma, pensa che il lavoro svolto dai colleghi sia interessante, ma non una pietra miliare. Scrosati afferma che le celle funzionano più come supercondensatori che come una batteria perché le reazioni che producono energia sembrano avvenire sulla superficie degli elettrodi. "Perciò non sorprende particolarmente che sia in grado di fornire maggiore energia rispetto alle normali batterie al litio che sono generalmente progettate per fornire un'elevata densità energetica".
Vasant Kumar, scienziato dell'Università di Cambridge, è della stessa opinione ma riconosce che per un supercondensatore è stupefacente esibire una capacità energetica così elevata. "Questa pubblicazione dimostra che riducendo le dimensioni delle strutture di un elettrodo, batterie e supercondensatori possono sovrapporsi l'uno sull'altro".