Uno smartphone che con una batteria che dura una settimana e si ricarica in quindici minuti. Fantascienza? No, potrebbe essere realtà entro un periodo che va da tre a cinque anni. Un team d'ingegneri della Northwestern University ha realizzato un anodo per batterie agli ioni di litio capace non solo di mantenere una carica fino a dieci volte maggiore rispetto alla tecnologia odierna, ma anche di ricercarsi dieci volte più rapidamente.
"Persino dopo 150 ricariche, cioè un anno o più di operatività , la batteria si è dimostrata cinque volte più efficace delle soluzioni attuali", ha dichiarato il professor Harold H. Kung. La capacità energetica di una batteria è limitata dalla densità energetica, in altre parole da quanti ioni possono essere inseriti all'interno di un elettrodo. La velocità di carica, invece, deve sottostare alla rapidità con la quale gli ioni viaggiano dall'elettrolita fino all'interno dell'anodo.
Per superare questi recinti, i ricercatori hanno combinato due tecniche. Per aumentare la capacità energetica, i ricercatori hanno sostituito il carbonio che compone l'anodo con il silicio, in grado di stoccare quattro atomi di litio per ogni atomo di carbonio. Nel processo di ricarica però il silicio si contrae ed espande, causando fratture e perdendo rapidamente la capacità di carica.
Per quanto riguarda la velocità di ricarica, questa è ostacolata dalla forma degli strati di grafene che compongono l'anodo. Essendo molto sottili - quanto un atomo di carbonio - ma molto lunghi, durante il processo di carica uno ione di litio viaggia sui bordi esterni del foglio di grafene prima di entrare tra i fogli. Poiché impiega molto per arrivare al centro del foglio, si verifica una sorta di ingorgo ionico lungo i bordi del materiale.
Per ovviare al problema i ricercatori hanno dapprima stabilizzato il silicio per mantenere la massima capacità di carica, inserendo i cluster di silicio tra fogli di grafene. In questo modo sono riusciti a inserire un maggior numero di atomi di litio nell'elettrodo, sfruttando la flessibilità dei fogli di grafene per adeguarsi ai cambiamenti di volume del silicio.
"Abbiamo il meglio da entrambi i mondi", ha dichiarato Kung. "Abbiamo una densità energetica notevolmente maggiore a causa del silicio e l'operazione di sandwiching ha ridotto la perdita di capacità causata dall'espansione e dalla contrazione del silicio. Anche se i cluster di silicio si rompono, il silicio non va perso".
Il metodo migliore per chiamarsi rimane questo
Il team di Kung ha inoltre usato un processo chiamato ossidazione chimica per creare fori minuscoli (da 10 a 20 nanometri) nei fogli di grafene (in-plane defects), in modo che gli ioni di litio potessero usufruire di una scorciatoia all'interno dell'anodo e venissero immagazzinati tramite la reazione con il silicio. In questo modo si è ridotto il tempo di ricarica della batteria fino a dieci volte.
Ora i ricercatori inizieranno a studiare possibili miglioramenti da applicare al catodo, in modo da ottimizzare ulteriormente la batteria. Inoltre proveranno a sviluppare un elettrolita che consentirà alla batteria di spegnersi ad alte temperature in modo automatico e reversibile. Una sorta di meccanismo di sicurezza che potrebbe essere molto importante specie nelle auto elettriche.