Batterie cariche per una settimana e ricaribili in 15 minuti

Crediti foto: KIT

Immaginate che la batteria del vostro cellulare possa durare per più di una settimana e che si ricarichi in soli 15 minuti. Questa batteria da sogno potrebbe diventare realtà presto, grazie alla ricerca della Northwestern University.

Un team di ingegneri ha creato un elettrodo per batterie agli ioni di litio – batterie ricaricabili di questo tipo si trovano nei cellulari e negli iPod- che permette alle batterie di mantenere la carica 10 volte più a lungo e di ricaricarsi 10 volte più velocemente delle attuali.
Secondo i ricercatori l’invenzione potrebbe essere già disponibile nei negozi entro i prossimi cinque anni.

L’articolo che descrive la ricerca è stato pubblicato sulla rivista Advanced Energy Materials.
‘Abbiamo scoperto come prolungare per 10 volte la carica della nuova batteria agli ioni di litio’ sostiene Harold H. Kung, che ha guidato il gruppo di studio. ‘Persino dopo 150 cariche, che coincidono con circa un anno di operazioni, la batteria è ancora cinque volte più efficace di una delle batterie agli ioni di litio sul mercato attualmente. ‘Kung è professore di ingegneria chimica alla McCormick School of Engineering and Applied Science.
Le batterie agli ioni di litio si ricaricano attraverso una reazione chimica in cui gli ioni di litio si spostano da un polo all’altro della batteria, l’anodo e il catodo. Quando la batteria è in uso gli ioni viaggiano grazie all’elettrolita dall’anodo al catodo; quando la batteria viene ricaricata viaggiano nel senso opposto.

Attualmente, la performance della batteria è limitata per due motivi. La sua capacità energetica è limitata dalla densità della carica cioè dal numero di ioni di litio che possono accumularsi nell’anodo o nel catodo. L’altro limite è la velocità alla quale gli ioni si muovono dall’elettrolita all’anodo, che determina la durata della ricarica.
Nelle attuali batterie ricaricabili, l’anodo – dove si alternano strati di carbonio e fogli di grafene – può solo ospitare un atomo di litio ogni sei atomi di carbonio. Per migliorare la capacità energetica, gli scienziati hanno provato a sostituire il carbonio con il silicone che è in grado di accumulare molto più litio: quattro atomi per ognuno di silicone.
Purtroppo però il silicone si espande e contrae durante la ricarica, causando la frammentazione e la perdita rapida della sua capacità di carica.
Al momento, la velocità di carica della batteria è compromessa dalla forma degli strati di grafene, che sono estremamente sottili, ma molto lunghi. Durante la ricarica uno ione di litio deve attraversare tutto il percorso fino agli estremi dello strato del foglio di grafene, impiegando quindi molto tempo.

Adesso il team guidato da Kung sta sfruttando i due materiali per risolvere questi problemi. Innanzitutto per stabilizzare il silicone in modo da mantenere la capacità di carica al massimo, i ricercatori hanno inserito il silicone tra due strati di grafene. Gli scienziati hanno così ottenuto una densità energetica molto più alta grazie al silicone e allo stesso tempo grazie alla flessibilità dei fogli di grafene è possibile risolvere i cambi di volume del silicone durante l’utilizzo. Il team ha anche utilizzato un processo di ossidazione chimica che crea minuscoli fori (di 10-20 nanometri) nei fogli di grafene che permottono agli ioni di litio di avere delle ‘scorciatoie’ per l’anodo, riducendo così il tempo di ricarica fino a 10 volte.
Questa ricerca è focalizzata sull’anodo, prossimamente i ricercatori si dedicheranno agli studi sul catodo che potrebbero ulteriormente migliorare l’efficacia delle batterie.