Silicio poroso per aumentare la capacità delle batterie

Un gruppo di ricercatori dell'University of Southern California ha sviluppato una nuova batteria agli ioni di litio che fa uso di nanoparticelle di silicio poroso al posto del consueto anodo in grafite, offrendo così prestazioni superiori rispetto ai convenzionali schemi di batteria.

Stando alle dichiarazioni dei ricercatori le nuove batterie, che sono potenzialmente impiegabili per qualunque applicazione, dai cellulari alle auto ibride, sono in grado di conservare una quantità di energia tripla rispetto a batterie comparabili ma basate sulla grafite, oltre ad essere caratterizzate da un tempo di ricarica di poche decine di minuti. Il progetto, che attualmente è coperto da un brevetto provvisorio, potrebbe arrivare alla produzione commerciale nel corso di due o tre anni.

"Si tratta di una ricerca entusiasmante. Apre la porta alla progettazione della prossima generazione di batterie agli ioni di litio" ha dichiarato Chongwu Zhou, professore della USC Viterbi School of Engineering, che ha coordinato il gruppo di ricercatori nello sviluppo del progetto.

Da lungo tempo i ricercatori stanno esplorando la possibilità di impiegare il silicio quale materiale fondamentale per la realizzazione degli anodi delle batterie a ioni di litio. Il silicio è infatti abbastanza economico ed ha un'elevato potenziale di capacità per questo tipo di impieghi, anche se gli anodi in silicio realizzati fino ad ora hanno mostrato una serie di problemi strutturali che andavano a compromettere l'efficacia della batteria. Il rigonfiamento e l'assottigliamento degli anodi in silicio dovuto ai cicli di carica/scarica li rendeva fragili e soggetti ad un rapido danneggiamento, divenendo così inservibili nel giro di poco tempo.

Lo scorso anno il team di Zhou ha cercato di risolvere il problema sperimentando l'impiego di nanocavi di silicio poroso, della lunghezza di pochi micron e dal diametro appena inferiore di 100 nanometri. Queste strutture hanno permesso di osservare come i pori sui nanocavi consentissero ai nanocavi di silicio di espandersi e contrarsi senza fratture e di incrementare, al contempo, la superficie di scambio per gli ioni di litio a tutto vantaggio delle prestazioni.

I nanocavi sono però difficili da realizzare in volumi consistenti. Dal momento che questo tipo di batterie ha mostrato un buon funzionamento, i ricercatori hanno allora cercato una strada alternativa per poter usare il silicio poroso per la realizzazione dell'anodo della batteria. Gli scienziati hanno allora adottato delle nanoparticelle di silicio, commercialmente disponibili, simili a piccole sfere e sulle quali ha praticato una lavorazione per dare luogo alla stessa superficie porosa dei nanocavi. Le particelle hanno mostrato un funzionamento simile e hanno il vantaggio di poter essere realizzate in grandi quantità senza particolari problemi.

Le batterie realizzate con questa tecnica sono attualmente capaci di resistere fino a circa 200 cicli di ricarica, rispetto alla media dei 500 cicli per le batterie con anodo in grafite. Il problema dovrebbe però essere superabile, dal momento che la precedente struttura a nanocavi è stata capace di sopportare fino a 2000 cicli di carica. Oltre che su questo aspetto, le attività di ricerca si concentreranno ora sulla ricerca di un nuovo materiale per la costruzione di un catodo ad elevata capacità che si possa abbinare in maniera adeguata all'anodo in silicio poroso, per creare una batteria completamente nuova.