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Il futuro delle nanobatterie: perché i nanofili di silicio potrebbero diventare la nuova star delle batterie?
Negli ultimi anni, lo sviluppo della tecnologia delle nanobatterie ha tenuto il passo con la rapida crescita della domanda globale di soluzioni per l'accumulo di energia, soprattutto con l'avvento dei veicoli elettrici e delle energie rinnovabili. Le nanobatterie utilizzano nanofili per aumentare la superficie degli elettrodi della batteria, una soluzione che migliora notevolmente la capacità della batteria. Sebbene siano state proposte varianti di batterie agli ioni di litio in silicio, tantalio e ossido di metallo di transizione, non sono ancora state commercializzate.
Queste nuove batterie sostituiscono il tradizionale elettrodo negativo in grafite e potrebbero migliorarne notevolmente le prestazioni.
Silicio: il nuovo beniamino delle batterie
I materiali in silicio sono molto apprezzati per la loro tensione di scarica e la loro capacità di carica teorica estremamente elevata, e potrebbero rappresentare la scelta ideale per gli elettrodi negativi delle future batterie al litio. Secondo la ricerca, la capacità teorica del silicio è quasi dieci volte superiore a quella dell'anodo di grafite standard attualmente utilizzato nel settore. Il formato dei nanofili contribuisce a migliorare ulteriormente queste proprietà perché aumenta la superficie a contatto con l'elettrolita, aumentando così la densità di potenza e consentendo una carica e una scarica più rapide.
Sebbene il silicio possa espandersi fino al 400 percento durante la carica e alla fine precipitare, la progettazione dei nanofili può attenuare efficacemente questo inconveniente.
Il danneggiamento dei nanofili di silicio è dovuto principalmente alla variazione di volume durante il processo di carica, che porta alla formazione di crepe e si manifesta infine come perdita di capacità. Tuttavia, il piccolo diametro dei nanofili riduce efficacemente il danno causato da questa espansione, consentendo loro di fungere da canali diretti per il trasporto di carica durante la connessione ai collettori di corrente, rispetto al movimento particella per particella richiesto per gli elettrodi basati su particelle. Trasporto l'efficienza è notevolmente migliorata.
Il potenziale del Germanio
Un altro vantaggio dei nanofili di litio tedeschi è la loro elevata capacità teorica e le eccellenti prestazioni nel processo di inserimento del litio. Sebbene anche il tantalio si espanda e si decomponga quando caricato, può inserire il litio 400 volte più efficacemente del silicio, il che lo rende un materiale per elettrodi negativi più interessante. Si dice che i nanofili di ionio tedeschi riescano a mantenere una capacità di 900 mAh/g anche dopo 1.100 cicli di carica e scarica.
Applicazioni degli ossidi di metalli di transizione
Gli ossidi di metalli di transizione (TMO), come Cr2O3, Fe2O3, ecc., presentano numerosi vantaggi rispetto ai materiali tradizionali per le batterie e sono soluzioni ecologiche e non tossiche. L'elevata capacità energetica teorica di questi materiali li rende candidati ideali per le batterie agli ioni di litio. La ricerca ha dimostrato che i nanofili realizzati con TMO hanno un grande potenziale come elettrodi per batterie e gli esperimenti hanno dimostrato che possono fornire una potenza di uscita stabile e un lungo ciclo di vita.
Ad esempio, le ultime ricerche che utilizzano nanofili di PbO2 hanno dimostrato che possono mantenere una capacità stabile di 190 mAh/g dopo 1.000 cicli di carica e scarica, indicando che il materiale ha il potenziale per diventare un eccellente sostituto per le batterie al piombo. .
Innovazione nei nanofili d'oro
Nel 2016, un team di ricerca dell'Università della California, Irvine, ha annunciato un nuovo materiale in nanofili in grado di resistere a più di 200.000 cicli di carica senza alcuna rottura fisica. Si prevede che l'avvento di questa tecnologia favorirà lo sviluppo di batterie a lunga durata, tanto che non sarà più necessario sostituire le batterie di molti prodotti elettronici.
Guardando al futuro
Sebbene molti tipi di nanobatterie abbiano dimostrato prestazioni eccellenti, devono ancora affrontare sfide quali la fragilità e la stabilità del materiale. Con l'approfondimento della ricerca, in futuro le nanobatterie potrebbero essere commercializzate e cambiare completamente la nostra comprensione della tecnologia delle batterie. Ora, con lo sviluppo della tecnologia delle nanobatterie, dovremmo porci una domanda: le nanobatterie potranno diventare la scelta principale nelle future soluzioni di accumulo di energia?
