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Metodo più semplice per la creazione di anodi per batterie ad alte prestazioni

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I ricercatori hanno fabbricato componenti a base di silicio per batterie al litio allo stato solido.

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Mentre i veicoli elettrici (EV) stanno diventando sempre più pervasivi, i ricercatori stanno ancora cercando di migliorare la tecnologia delle batterie per migliorare la loro autonomia di guida e la produzione di energia in modo da poter dimostrare prestazioni alla pari con le automobili alimentate a carburante. A tal fine, una nuova ricerca ha scoperto un modo più semplice per fabbricare anodi di silicio per batterie al litio allo stato solido da utilizzare nei veicoli elettrici, aprendo la strada a questi dispositivi che funzionano alla pari con gli attuali modelli a ioni di litio a base liquida.

Un team dell'Istituto Nazionale Giapponese di Scienza dei Materiali (NIMS) ha utilizzato la deposizione a spruzzo - una modalità di fabbricazione atmosferica economicamente conveniente - per creare un anodo di silicio per batterie a stato solido che ha mostrato prestazioni precedentemente viste solo negli elettrodi a film sviluppati dai processi di evaporazione.

"Questo risultato suggerisce che la produzione a basso costo e su larga scala di anodi ad alta capacità per l'uso in batterie al litio a stato solido è possibile", ha scritto il team guidato da Narumi Ohta, un ricercatore senior del NIMS, in un documento in ACS Applied Energy Materials.

Il NIMS ha lavorato alla ricerca con la New Energy and Industrial Technology Development Organization e con la casa automobilistica Toyota.

Gli scienziati dei materiali stanno cercando le batterie allo stato solido come alternativa alle attuali sostanze chimiche a base liquida, che contengono materiali tossici che sono difficili da smaltire e che hanno il potenziale per appiccare incendi o esplodere. Questi nuovi prodotti chimici sono visti come opzioni migliori per i dispositivi di immagazzinamento dell'energia ad alta capacità e ad alte prestazioni, come quelli necessari per i veicoli elettrici.

Il silicio è un'alternativa auspicabile alla grafite comunemente usata come materiale anodico attivo nelle batterie commerciali perché ha una capacità circa 11 volte superiore alla grafite. Questo rende anche le batterie create con questo materiale più adatte per l'uso nei veicoli elettrici e in altre applicazioni che necessitano di un'elevata capacità di immagazzinamento dell'energia.

Risolvere le attuali limitazioni dei materiali

Tuttavia, un inconveniente dell'utilizzo di batterie allo stato solido che utilizzano anodi al silicio è che la variazione di volume del silicio durante la carica e la scarica - o la litiazione e la deliterazione in una batteria al litio - ostacola l'applicazione pratica. "Il ripetuto ed enorme cambiamento di volume del silicio provoca l'isolamento delle particelle e quindi porta alla perdita del materiale attivo, che si traduce in una continua perdita di capacità", hanno scritto nella rivista.

Infatti, nelle tipiche celle a stato solido, il materiale attivo è posto tra due componenti solidi - uno strato separatore di elettrolito solido e un collettore di corrente metallico - che può evitare il problema isolando elettricamente il materiale attivo.

Il team NIMS ha fatto un ulteriore passo avanti con un nuovo approccio alla sintesi di un anodo ad alte prestazioni per batterie al litio allo stato solido che utilizza nanoparticelle di silicio commerciali.

Nella loro progettazione, al momento della litiazione, il silicio subisce un'espansione di volume, una compattazione strutturale e un'apprezzabile coalescenza nello spazio ristretto tra lo strato elettrolitico solido separatore e il collettore di corrente metallico per formare un film continuo simile a quello preparato dal processo di evaporazione. "L'anodo composto da nanoparticelle preparate per deposizione a spruzzo mostra quindi eccellenti prestazioni dell'elettrodo, che in precedenza era stato osservato solo per gli elettrodi a pellicola sputter-depositati", hanno scritto i ricercatori nella rivista.

Il team ritiene che utilizzando il loro design, gli anodi ad alta capacità per batterie al litio allo stato solido possono essere prodotti più facilmente. I ricercatori intendono continuare il loro lavoro per migliorare la ciclabilità nell'anodo aumentando il carico di massa areale delle nanoparticelle per soddisfare meglio le esigenze di immagazzinamento di energia e di produzione dei veicoli elettrici.