Scoperta (per caso) la batteria che dura per sempre? Ricerca e serendipity

Studiano i nanofili, scoperto un materiale che permette di ricaricare una batteria per decenni

[4 Maggio 2016]

I ricercatori dell’università della California – Irvine ricercatori hanno inventato un materiale per batterie basate sui nanofili che possono essere ricaricate centinaia di migliaia di volte, e sono convinti che «Ci avvicineremo ad una batteria che non dovrebbe mai richiedere la sostituzione». Infatti il lavoro del team californiano potrebbe portare a batterie con durata di vita notevolmente più lunga per computer, smartphone, elettrodomestici, auto e veicoli spaziali.

I risultati  dello studio “Direct Observation of Photoexcited Hole Localization in CdSe Nanorods”, condotto dall’università della California – Irvine (UCI) insieme al Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center dell’università del Maryland e finanziato dalla divisione Basic Energy Sciences del Dipartimento dell’energia Usa, sono stati pubblicati nei giorni scorsi su Energy Letters  dell’American Chemical Society.

All’UCI, spiegano che «Gli scienziati hanno a lungo cercato di usare i nanofili nelle batterie. Migliaia di volte più sottili di un capello umano, sono altamente conduttivi e presentano una grande superficie per lo stoccaggio e il trasferimento di elettroni. Tuttavia, questi filamenti sono estremamente fragili e non reggono bene a ripetuti scaricamenti e ricariche o al cycling. In una tipica batteria al litio, si espandono e crescono fragili, il che li porta a spezzarsi».

I ricercatori dell’UCI hanno risolto questo problema rivestendo un nanofilo d’oro con un guscio di biossido di manganese e incapsulando l’assemblaggio in un elettrolita costituito da un gel simile al plexiglas e dicono che «La combinazione è affidabile e resistente alle rotture». La leader del team di ricerca, Mya Le Thai, ha fatto cicli di test sull’elettrodo fino a più 200.000 volte in tre mesi, senza rilevare alcuna perdita di capacità o di potenza e senza eventuali rotture nanofili.

Come spesso succede con le scoperte eccezionali, il duro lavoro dei ricercatori ha ottenuto questo grande risultato grazie al caso, o meglio alla serendipity: un giorno, Mya Le Thai, una dottoranda del laboratorio di Reginald Penner, presidente del dipartimento di chimica dell’UCI, ha deciso di togliersi lo sfizio di sostituire  l’elettrolita liquido che circondava il gruppo di nanofili con una versione in gel.

Penner, che è anche uno degli autori dello studio pubblicato su Energy Letters, racconta: «Mya stava giocando lì intorno, e ha ricoperto tutta questa cosa con uno strato di gel molto sottile e ha avviato il ciclo. Ha scoperto che utilizzando semplicemente questo gel, poteva fare cicli per centinaia di migliaia di volte senza perdere capacità. E’ stato pazzesco, perché queste cose di solito muoiono in modo drammatico dopo 5.000 o 6.000 o 7.000 cicli al massimo».

I ricercatori pensano la sostanza appiccicosa plastifichi l’ossido di metallo nella batteria e conferisca flessibilità, prevenendo le rotture. La Thai dice che «L’elettrodo rivestito mantiene molto meglio la sua forma, il che lo rende una scelta più affidabile. Questa ricerca dimostra che un elettrodo della batteria basato sui nanofili può avere una lunga vita e che siamo in grado di fare di questi tipi di batterie una realtà».

Il team dell’UCI ha capito subito di avere scoperto per caso qualcosa di speciale, ma non sono ancora sicuri del perché utilizzando un elettrolita in gel i nanofili non si rompono. Ma Penner avanza un’ipotesi: il gel funziona come un sottile strato di burro di arachidi: «I nanofili, che sono centinaia di volte più sottili di un capello umano e fatte di ossido di manganese, sono porosi per l’80%. Nel tempo, il gel denso penetra lentamente nei pori nei nanofili e li rende più morbidi. Questa morbidezza riduce la loro fragilità. Dopo 5.000 cicli con il liquido normale, [i nanofili] cominciano a rompersi. E poi cominciano a cedere. Niente di tutto questo sta accadendo nel gel».

Attualmente il team di ricerca sta lavorando per verificare questa ipotesi, se fosse corretta, continuerà a testare diversi tipi di materiali e gel per vedere cosa funziona meglio. Se la cosa funziona, i nanofili avvolti nel gel avvolto potrebbero diventare un componente essenziale per batterie di durata ultra-lunga» Ma Penner butta acqua sul fuoco e dice che per arrivare a questo la strada da fare è ancora lunga, anche se ci sono già diverse compagnie interessate alla scoperta fatta nel suo laboratorio..

Penner. Conclude: «Il quadro generale è che ci potrebbe essere un modo molto semplice per stabilizzare i nanofili del tipo che abbiamo studiato. Se questo risultasse essere generalmente vero, sarebbe un grande progresso per la comunità. Poiché la maggior parte dell’elettronica per la casa ha una durata di vita limitata da fattori che vanno oltre la durata della batteria, una batteria che dura per un decennio o due potrebbe facilmente sopravvivere al dispositivo. Se si potrebbe ottenere 100.000 cicli di una batteria agli ioni di litio questo potrebbe significare che non avremmo  mai bisogno di acquistare due. Stiamo parlando di una durata di vita di 20 anni, forse anche di più».