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Batterie agli ioni di litio 6 volte più capienti: si può

Un gruppo di ricercatori ha dimostrato come l'uso di anodi fatti di silicio anziché grafite potrebbe aumentare la capacità delle batterie agli ioni di litio di oltre sei volte.

Secondo un team di ricercatori dello Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) Institute è possibile aumentare la capacità delle batterie agli ioni di litio di oltre sei volte. Il trucco, per così dire, starebbe nell'usare anodi fatti di silicio anziché grafite.

La conclusione dei ricercatori è frutto di un'attenta osservazione svolta dai colleghi dell'Institut Laue-Langevin di Grenoble, Francia. Per la prima volta si è visto come gli ioni di litio migrano all'interno di sottili strati di silicio ed è stato dimostrato che sarebbero sufficienti layer estremamente sottili di silicio per raggiungere il carico massimo di litio.

La scoperta è di particolare importanza per lo sviluppo di batterie per le automobili elettriche, dotate sinora di soluzioni con elettrodi in grafite, capaci di assorbire stabilmente solo un limitato numero di ioni di litio e quindi offrire una capacità limitata.

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Gli ioni di litio migrano tramite l'elettrolita (giallo) nel layer di silicio cristallino (c-Si). Durante il ciclo di carica si sviluppa un layer di 20 nm (rosso) sull'elettrode in silicio, capace di assorbire quantità estreme di atomi di litio – immagine: HZB

Da qui la ricerca di materiali alternativi, come il silicio che è in grado di conservare enormi quantità di litio. Il problema è che la migrazione degli ioni distrugge la struttura cristallina del silicio, aumentando il volume di tre volte e comportando notevoli sollecitazioni meccaniche.

Con l'osservazione di una cella durante il ciclo di carica e scarica i ricercatori guidati dal professor Matthias Ballauff hanno potuto "tracciare precisamente dove gli ioni di litio sono assorbiti nell'elettrodo al silicio usando metodi di riflettometria con neutroni, e anche capire quanto veloce si muovessero", ha spiegato la dottoressa Beatrix-Kamelia Seidlhofer dell'Institute Laue-Langevin.

Le indagini hanno portato alla scoperta di due zone diverse: uno strato di circa 20 nanometri con un contenuto di litio estremamente alto – 25 atomi di litio tra 10 atomi di silicio – vicino al confine con gli elettroliti. Un secondo strato adiacente conteneva invece solo un atomo di litio per dieci di silicio. Entrambi gli strati, nel complesso, erano spessi meno di 100 nm dopo il secondo ciclo di carica.

I ricercatori hanno inoltre osservato che dopo la scarica, nel layer di silicio confinante con gli elettroliti era rimasto un solo ione di litio per nodo in silicio. La Seidlhofer ha calcolato così che la capacità massima teorica di questi tipi di batterie litio-silicio è di circa 2300 mAh/g, oltre sei volte il massimo ottenibile dalle batterie agli ioni di litio realizzate con la grafite (372 mAh/g).

Queste importanti scoperte potrebbero portare a un miglioramento nel progetto degli elettrodi in silicio: sarebbero infatti sufficienti strati di silicio molto sottili per assorbire la quantità massima possibile di litio, cosa che permetterebbe non solo di risparmiare materiale, ma anche energia consumata durante la produzione.