Anodo in silicio, le microparticelle rappresentano la svolta
(Rinnovabili.it) – Nuovo traguardo raggiunto per le batterie a ioni di litio. Una ricerca sudcoreana ha trovato un modo per dare una sferzata alle prestazioni di questa tecnologia e spalancare le porte, in un futuro non troppo lontano, ad una autonomia di 1.000 km per i veicoli elettrici.
Ben inteso, nel settore delle batterie auto il traguardo è già stato raggiunto o, più precisamente, è già stato reclamato. Nel 2019 la startup svizzera Innolith ha annunciato che le sue ricaricabili a ioni di litio (NMC811/grafite) potessero cancellare l’ansia da ricarica grazie ad una energia specifica di 300 Wh/kg. A titolo di confronto le batterie ion-Li presenti oggi sul mercato vantano un’energia specifica compresa tra i 100 e i 265 Wh/kg. Nel 2022 il produttore cinese CATL ha lanciato Qilin, batteria a ioni di litio con una densità energetica gravimetrica di 255 Wh/kg, grazie a cui le auto elettriche della compatriota Zeekr dovrebbero poter superare 1.000 km “con un pieno”. Sono poi arrivatigli annunci della Lexus e della Nio.
Il gruppo di chimici e ingegneri provenienti dalla Università della Scienza e della Tecnologia di Pohang e dell’Ulsan National Institute of Science & Technology ha saputo fare di meglio. La loro batteria a ioni di litio vanta una energia specifica di 413 Wh/kg e una densità di energia volumetrica 1022 Wh/L.
Anodo in silicio, vantaggi e svantaggi
Il merito del successo va all’inserimento di un anodo in silicio ad alta capacità. Impiegati al posto della grafite, i materiali in silicio possono incrementare le prestazioni di stoccaggio, grazie ad un’elevata capacità teorica (3579 mAh/g) e una bassa tensione operativa (< 0,4 V). Perché allora non dominano il mercato delle batterie? Perché il silicio va incontro ad una notevole espansione volumetrica durante il ciclo elettrochimico, danneggiando gravemente l’integrità strutturale e portando alla polverizzazione dell’anodo stesso.
Il problema può essere risolto utilizzando silicio di dimensioni nanometriche, ma il sofisticato e costoso processo di produzione non rende questa soluzione allettante.
Ecco perché il team sudcoreano ha preferito usare per il proprio anodo in silicio particelle microscopiche anziché nanoscopiche, molto più pratiche a livello produttivo. Tuttavia nelle microparticelle il fenomeno dell’espansione volumetrica torna a farsi sentire anche se in maniera meno sensibile. In aiuto è arrivato l’elettrolita: i ricercatori hanno inserito nella loro batteria a base di sodio un gel polimerico la cui struttura elastica garantisce una migliore stabilità rispetto alle controparti liquide.
Quindi il gruppo ha utilizzato un fascio di elettroni per formare legami covalenti tra particelle di microsilicio e l’elettrolita. Questi legami covalenti servono a disperdere lo stress interno causato dall’espansione volumetria, alleviando il problema. La cella a sacchetto da 500 mAh risultante ha mostrato eccezionale stabilità ed elevate prestazioni. “Abbiamo utilizzato un anodo di microsilicio, ma abbiamo una batteria stabile”, ha commentato soddisfatto il professor Soojin Park, coordinatore dello studio. “Questa ricerca ci avvicina a un vero sistema di batterie agli ioni di litio ad alta densità di energia”. I risultati sono stati pubblicati su Advanced Science (testo in inglese).