I progressi futuristici nel campo dell’intelligenza artificiale e dell’assistenza sanitaria hanno rubato le luci della ribalta allo stravagante Consumer Electronics Show (CES) 2024. Tuttavia, la tecnologia delle batterie è il punto di svolta al centro di queste innovazioni, consentendo una maggiore efficienza energetica. È importante sottolineare che i veicoli elettrici sono i luoghi in cui questa tecnologia viene applicata più intensamente. Gli attuali veicoli elettrici possono percorrere circa 700 km con una singola carica, mentre i ricercatori puntano a un’autonomia della batteria di 1.000 km. I ricercatori stanno esplorando con fervore l’uso del silicio, noto per la sua elevata capacità di stoccaggio, come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici. Tuttavia, nonostante il suo potenziale, portare il silicio nell’uso pratico rimane un puzzle che i ricercatori stanno ancora lavorando duramente per mettere insieme.
Entrano in gioco il professor Soojin Park, il dottorando Minjun Je e il dottor Hye Bin Son del Dipartimento di Chimica dell’Università di Scienza e Tecnologia di Pohang (POSTECH). Hanno decifrato il codice, sviluppando un sistema di batterie agli ioni di litio ad alta densità di energia di prossima generazione, tascabile e solido come una roccia, utilizzando microparticelle di silicio ed elettroliti polimerici in gel. Questo lavoro è stato pubblicato sulle pagine online di Scienza avanzata il 17th di gennaio.
L’utilizzo del silicio come materiale per le batterie presenta delle sfide: si espande più di tre volte durante la ricarica e poi si contrae fino alle dimensioni originali durante lo scaricamento, incidendo in modo significativo sull’efficienza della batteria. Utilizzando silicio di dimensioni nanometriche (10-9m) affronta parzialmente il problema, ma il sofisticato processo di produzione è complesso ed astronomicamente costoso, il che lo rende una proposta di budget impegnativa. Al contrario, il silicio di dimensioni micro (10-6m) è straordinariamente pratico in termini di costi e densità energetica. Tuttavia, il problema dell’espansione delle particelle di silicio più grandi diventa più pronunciato durante il funzionamento della batteria, ponendo limitazioni al suo utilizzo come materiale anodico.
Il team di ricerca ha applicato elettroliti polimerici in gel per sviluppare un sistema di batterie a base di silicio economico ma stabile. L’elettrolita all’interno di una batteria agli ioni di litio è un componente cruciale, poiché facilita il movimento degli ioni tra il catodo e l’anodo. A differenza degli elettroliti liquidi convenzionali, gli elettroliti gel esistono allo stato solido o gel, caratterizzati da una struttura polimerica elastica che ha una migliore stabilità rispetto alle loro controparti liquide.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato un fascio di elettroni per formare legami covalenti tra particelle di microsilicio ed elettroliti gel. Questi legami covalenti servono a disperdere lo stress interno causato dall’espansione del volume durante il funzionamento della batteria agli ioni di litio, alleviando i cambiamenti nel volume del microsilicio e migliorando la stabilità strutturale.
Il risultato è stato notevole: la batteria ha mostrato prestazioni stabili anche con microparticelle di silicio (5μm), cento volte più grandi di quelle utilizzate nei tradizionali anodi di nanosilicio. Inoltre, il sistema elettrolitico di gel di silicio sviluppato dal gruppo di ricerca ha mostrato una conduttività ionica simile a quella delle batterie convenzionali che utilizzano elettroliti liquidi, con un miglioramento di circa il 40% nella densità di energia. Inoltre, il sistema del team ha un valore significativo grazie al suo processo di produzione semplice e pronto per l’applicazione immediata.
Il professor Soojin Park ha sottolineato: “Abbiamo utilizzato un anodo di micro-silicio, ma abbiamo una batteria stabile. Questa ricerca ci avvicina a un vero sistema di batterie agli ioni di litio ad alta densità di energia.”
Questo studio è stato condotto con il sostegno del Programma di Ricerca Indipendente della Fondazione Nazionale di Ricerca della Corea.
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