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Gli anodi del silicio hanno potuto amplificare la capacità dell'Accumulatore litio-ione

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La capacità degli Accumulatori liti-ione potrebbe essere aumentata fino a sei volte usando gli anodi fatti di silicio invece della grafite, la nuova ricerca suggerisce.

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Gli Accumulatori liti-ione forniscono ai computer portatili, agli Smart Phone ed ai computer della compressa energia. Tuttavia, la loro capacità quando si tratta delle applicazioni quali i veicoli elettrici può essere limitata perché i materiali dell'elettrodo quale la grafite possono adsorbire stabile soltanto un numero limitato degli ioni del litio.

I materiali a semiconduttore quale silicio stanno ricevendo l'attenzione come elettrodi alternativi per le batterie al litio. Tuttavia, mentre il silicio in serie può assorbire un gran quantità di litio, la migrazione degli ioni del litio distrugge il sistema cristallino del silicio. Ciò può gonfiare il volume da un fattore di tre, che conduce agli sforzi meccanici importanti.

Un gruppo dall'istituto di Helmholtz-Zentrum Berlino (HZB) della materia molle e dei materiali funzionali ha osservato dettagliatamente come gli ioni del litio migrano nei film sottili di silicio. Con le misure del neutrone, il gruppo ha dimostrato che gli ioni del litio non penetrano profondamente nel silicio. Durante il ciclo di carica, i 20 strati dell'anodo di nanometro sviluppano contenere una proporzione elevata del litio-significato che estremamente gli strati sottili di silicio sarebbero sufficienti per raggiungere il carico massimo di litio.

Gli ioni del litio migrano attraverso l'elettrolito nello strato di silicio cristallino. Credito di immagine: HZB.

Gli ioni del litio migrano attraverso l'elettrolito nello strato di silicio cristallino. Credito di immagine: HZB.

«Potevamo seguire precisamente dove gli ioni del litio adsorbono nell'elettrodo del silicio facendo uso dei metodi di riflettometria del neutrone ed anche quanto veloce stavano muovendo,» dice il Dott. Beatrix-Kamelia Seidlhofer, che ha effettuato gli esperimenti.

Ha scoperto due zone differenti durante le sue indagini. Vicino alla frontiera agli elettroliti, i approssimativamente 20 strati di nanometro si sono formati che contenuto elevato avuto del litio: 25 atomi del litio sono stati alloggiati fra 10 atomi del silicio. Un secondo strato adiacente ha contenuto un atomo del litio per 10 atomi del silicio. Entrambi gli strati erano insieme densamente di meno di 100 nanometro dopo il secondo ciclo di carico.

Dopo scarico, approssimativamente uno ione del litio per nodo del silicio nell'elettrodo è rimanere nello strato limite del silicio esposto agli elettroliti. I ricercatori hanno calcolato che la capacità massima teorica di questi tipi di batterie del silicio-litio si trova a circa 2300 mAh/g, che è più di sei volte la capacità raggiungibile massima teorica per un Accumulatore litio-ione costruito con la grafite (372 mAh/g).

I ricercatori dicono che i loro risultati potrebbero migliorare la progettazione degli elettrodi del silicio. I film molto sottili del silicio dovrebbero essere sufficienti per l'adsorbimento della quantità possibile massima di litio, che a loro volta risparmierebbe su materiale e su energia consumati durante la fabbricazione.