Dal MIT un elettrodo con struttura a guscio per migliorare le batterie ricaricabili

Dal MIT un elettrodo con struttura a guscio per migliorare le batterie ricaricabili

Un anodo composto di nanoparticelle di alluminio con una particolare struttura che previene la deformazione meccanica così da aumentare la longevità delle batterie ricaricabili

di Andrea Bai pubblicata il , alle 15:21 nel canale Scienza e tecnologia
 

Uno dei grandi problemi che affligge gli elettrodi delle batterie ricaricabili è la loro espansione e contrazione meccanica durante i cicli di carica e scarica che può portare ad un danneggiamento del materiale e, nel caso alle batterie agli ioni di litio, consumare il litio in maniera irreversibile degradando quindi le prestazioni della batteria nel corso del tempo.

Un lavoro di ricerca congiunto tra il MIT e la Tsinghua University ha tentato di trovare una soluzione al problema creando un elettrodo composto di nanoparticelle con un guscio solido esterno e un nucleo interno che possa sostenere le variazioni di volume senza andare a compromettere l'integrità del guscio esterno. Questo approccio potrebbe migliorare sensibilmente il ciclo di vita di una batteria, nonché la sua capacità e la sua potenza.

I ricercatori, coordinati dal professore del MIT Ju Li, hanno realizzato un anodo usando nanoparticelle di alluminio come nucleo interno e diossido di titanio come guscio. Questa composizione ha permesso di ottenere, secondo le parole del gruppo di ricercatori, "il campione tra gli anodi ad alta capacità".

Le attuali batterie agli ioni di litio fanno uso di anodi realizzati in grafite, che ha una capacità di stoccaggio di carica di 0,35 amperora per grammo. Per molti anni i ricercatori hanno indagato varie altre opzioni che potessero offrire una maggior capacità di stoccaggio di carica per peso. Sotto questo aspetto, ad esempio, il litio ha una capacità 10 volte superiore a quella della grafite ma è un materiale molto pericoloso e facilmente infiammabile. Anche il silicio e lo stagno hanno una capacità molto elevata, che però si deteriora velocemente con i cicli di carica e scarica.

L'alluminio è invece una scelta economica con una capacità teorica di 2 amperora per grammo. Ma come altri materiali ad alta capacità, l'alluminio si espande sensibilmente quando assorbe il litio e, viceversa, si contrae quando lo rilascia, cioè nelle normali operazioni di carica/scarica. Lo stress meccanico può portare ad una serie di problemi, non da ultimo la disconnessione dei contatti elettrici. Inoltre l'elettrolita liquido a contatto con l'alluminio va nel corso del tempo, ciclo dopo ciclo, a formare su di esso una pellicola che prende il nome di "Solid-Electrolyte Interphase" (SEI) che, per via delle continue espansioni e contrazioni dell'elettrodo, tende a sgretolarsi. Di conseguenza i precedenti tentativi di sviluppare un elettrodo in alluminio per le batterie agli ioni di litio non hanno avuto particolare successo.

E' qui che nasce l'idea di confinare l'alluminuo in forma di nucleo all'interno di un guscio. Nel dominio delle nanotecnologie esiste una differenza importante tra ciò che viene chiamato "core-shell" e "yolk-shell": nel primo caso si parla di una struttura con un guscio che aderisce direttamente al nucleo, mentre nel secondo caso c'è uno strato vuoto tra il guscio e il nucleo. Di conseguenza il "yolk" può espandersi e contrarsi liberamente con pochissime conseguenze sulle dimensioni e sulla stabilità del guscio esterno.

"Abbiamo realizzato un guscio di ossido di titanio che separa l'alluminio dall'elettrolita liquido. Il guscio non si espande o contrae in maniera sensibile e quindi lo strato SEI è molto stabile e non si sgretola, e l'alluminio all'interno è protetto dal diretto contatto con l'elettrolita" ha spiegato Li.

Le particelle di alluminio usate, di circa 50 nanometri di diametro, hanno uno strato di ossido di alluminio che doveva essere eliminato in quanto non adatto alla conducibilità elettrica. Per fare questo i ricercatori hanno deciso di convertire lo strato di ossido di alluminio in ossido di titanio, miglior conduttore di elettroni e di ioni di litio specie a spessori molto ridotti. Le polveri di alluminio sono quindi state messe in acido solforico saturato con solfato ossido di titanio: la reazione dell'ossido di alluminio con l'acido solforico porta all'espulsione di acqua che a sua volta reagisce con il solfato ossido di titanio e forma un guscio solido di idrossido di titanio con uno spessore di 3 o 4 nanometri. Nonostante il guscio solido si formi in maniera abbastanza rapida, se le particelle restano nell'acido per un periodo di tempo più prolungato l'alluminio continua a ridurre le sue dimensioni, diventando un nucleo di 30 nanometri racchiuso dal guscio esterno che risulta permeabile a elettroni e ioni.

Le particelle sono quindi trattate per ottenere la composizione e struttura finale. Dopo essere state testate per 500 cicli di carica-scarica, il guscio di titanio diventa leggermente più spesso, ma il nucleo interno resta pulito e senza accumulo di SEI, mostrando quindi che il guscio è in grado di proteggere l'alluminio pur consentendo il passaggio bidirezionale di ioni ed elettroni. Il risultato è un elettrodo capace di mettere a disposizione il triplo della capacità della grafite (1,2 amperora per grammo) ad una normale velocità di carica. A tassi di carica più rapidi (sei minuti per una carica completa) la capacità è ancora di 0,66 amperora per grammo dopo 500 cicli.

I materiali usati non sono costosi ed il metodo di produzione impiegato può essere semplice e facilmente scalabile. Per quelle applicazioni che richiedono batterie ad elevata potenza ed elevata densità di energia si tratta, secondo Li, del "miglior materiale di anodo disponibile".

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