Espansione dell'uso del silicio nelle batterie, impedendo l'espansione degli elettrodi

I ricercatori del Drexel e del Trinity College in Irlanda hanno sviluppato un modo per intervallare i fogli di MXene tra le particelle di silicio per formare un anodo stabile che amplierebbe la capacità delle batterie agli ioni di litio.

È probabile che le ultime batterie agli ioni di litio sul mercato allunghino la durata di ricarica di telefoni e auto elettriche fino al 40%. Questo balzo in avanti, che arriva dopo oltre un decennio di miglioramenti incrementali, sta avvenendo perché gli sviluppatori hanno sostituito l'anodo di grafite della batteria con uno in silicio. La ricerca della Drexel University e del Trinity College in Irlanda suggerisce ora che un miglioramento ancora maggiore potrebbe essere ottenuto se il silicio fosse fortificato con un tipo speciale di materiale chiamato MXene.

Questo adeguamento potrebbe prolungare la durata delle batterie agli ioni di litio fino a cinque volte, ha recentemente riportato il gruppo su Nature Communications. Ciò è possibile grazie alla capacità del materiale bidimensionale MXene di impedire all'anodo di silicio di espandersi fino al punto di rottura durante la ricarica, un problema che ne ha impedito l'utilizzo per diverso tempo.

"Si prevede che gli anodi di silicio sostituiranno gli anodi di grafite nelle batterie agli ioni di litio con un enorme impatto sulla quantità di energia immagazzinata", ha affermatoYury Gogotsi, dottore di ricerca , illustre università e professore di Bach al Drexel's College of Engineering e direttore dell'AJ Drexel Nanomaterials Institute presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, coautore della ricerca. "Abbiamo scoperto che l'aggiunta di materiali MXene agli anodi di silicio può stabilizzarli abbastanza da poter essere effettivamente utilizzati nelle batterie."

Nelle batterie, la carica viene trattenuta negli elettrodi – catodo e anodo – e consegnata ai nostri dispositivi mentre gli ioni viaggiano da anodo a catodo. Gli ioni ritornano all'anodo quando la batteria viene ricaricata. La durata della batteria è stata costantemente aumentata trovando modi per migliorare la capacità degli elettrodi di inviare e ricevere più ioni. Sostituendo il silicio con la grafite come materiale primario nell'anodo agli ioni di litio migliorerebbe la sua capacità di assorbire ioni perché ogni atomo di silicio può accettare fino a quattro ioni di litio, mentre negli anodi di grafite sei atomi di carbonio assorbono un solo litio. Ma mentre si carica, anche il silicio si espande, fino al 300%, causando la rottura e il malfunzionamento della batteria.

La maggior parte delle soluzioni a questo problema hanno comportato l’aggiunta di materiali di carbonio e leganti polimerici per creare una struttura in grado di contenere il silicio. Il processo per farlo, secondo Gogotsi, è complesso e il carbonio contribuisce poco all’immagazzinamento della carica da parte della batteria.

Al contrario, il metodo del gruppo Drexel e Trinity mescola polvere di silicio in una soluzione MXene per creare un anodo ibrido silicio-MXene. I nanofogli di MXene si distribuiscono in modo casuale e formano una rete continua mentre avvolgono le particelle di silicio, agendo così come additivo conduttivo e legante allo stesso tempo. È la struttura MXene che impone anche l'ordine agli ioni quando arrivano e impedisce l'espansione dell'anodo.

"Gli MXene sono la chiave per aiutare il silicio a raggiungere il suo potenziale nelle batterie", ha affermato Gogotsi. "Poiché gli MXene sono materiali bidimensionali, c'è più spazio per gli ioni nell'anodo e possono muoversi più rapidamente al suo interno, migliorando così sia la capacità che la conduttività dell'elettrodo. Hanno anche un'eccellente resistenza meccanica, quindi gli anodi di silicio-MXene sono anche abbastanza resistenti fino a 450 micron di spessore."

Gli MXeni, scoperti per la prima volta a Drexel nel 2011, sono realizzati incidendo chimicamente un materiale ceramico stratificato chiamato fase MAX, per rimuovere una serie di strati chimicamente correlati, lasciando una pila di scaglie bidimensionali. Finora i ricercatori hanno prodotto più di 30 tipi di MXene, ciascuno con un insieme di proprietà leggermente diverse. Il gruppo ne ha selezionati due per realizzare gli anodi di silicio-MXene testati per la carta: carburo di titanio e carbonitruro di titanio. Hanno anche testato gli anodi delle batterie realizzati con nanoparticelle di silicio avvolte in grafene.

Tutti e tre i campioni di anodi hanno mostrato una capacità degli ioni di litio più elevata rispetto agli attuali anodi di grafite o silicio-carbonio utilizzati nelle batterie agli ioni di litio e una conduttività superiore, nell’ordine da 100 a 1.000 volte superiore rispetto agli anodi di silicio convenzionali, quando viene aggiunto MXene.