Gli scienziati cinesi hanno ottenuto un progresso significativo nella tecnologia delle batterie a stato solido sviluppando un anodo di silicio con una struttura tridimensionale unica progettata per superare l’instabilità intrinseca del materiale. La svolta, guidata dal professor Chen Wanghua dell’Università di Ningbo, affronta un grosso ostacolo nello sviluppo delle batterie di prossima generazione: la tendenza del silicio ad espandersi e degradarsi durante i cicli di carica.
Il problema del silicio
Il silicio è eccezionalmente promettente per le batterie al litio ad alta capacità, che teoricamente contengono dieci volte più energia rispetto ai tradizionali anodi di grafite. Tuttavia, il suo drammatico cambiamento di volume (oltre il 300%) durante la ricarica ha storicamente paralizzato la sua applicazione nel mondo reale. Questa espansione provoca stress meccanico, danneggia le interfacce della batteria e diminuisce rapidamente le prestazioni.
Come dice il professor Chen Wanghua, il silicio è un “super porter” con un immenso potenziale di stoccaggio, ma che “si espande violentemente” e “collassa” se usato ripetutamente. Questa instabilità è stata per lungo tempo il principale ostacolo alla realizzazione del pieno potenziale del silicio.
La soluzione “traspirante”.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato la deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma (PECVD) per creare una nuova architettura colonnare di silicio direttamente integrata con l’attuale collettore. Questo design presenta una struttura core-shell “a doppia fase” costruita in due fasi.
L’innovazione chiave è l’introduzione deliberata di vuoti tra nanofili di silicio allineati verticalmente. Questa rete crea “valvole di respirazione” interne che consentono al silicio di espandersi in spazi riservati quando gli ioni di litio entrano, anziché schiacciare l’elettrolita solido circostante.
In effetti, i ricercatori sono passati dall’uso della “polvere di silicio” alla costruzione di una “foresta” di nanofili intrecciati in grado di consentire l’espansione senza cedimenti strutturali.
Prestazioni e durata eccezionali
I test confermano le prestazioni superiori del nuovo anodo. La batteria a stato solido risultante ha mantenuto l’erogazione di potenza anche quando piegata o tagliata, dimostrando eccezionale robustezza meccanica e sicurezza.
Questa svolta rappresenta uno spostamento verso la progettazione di materiali per batterie tenendo presente sia la conduttività ionica che l’integrità strutturale. Avvicina significativamente alla realizzazione pratica le batterie al silicio allo stato solido ad alta energia e di lunga durata.
Questa ricerca fornisce un percorso tecnico fattibile per lo sviluppo di batterie di prossima generazione, rivoluzionando potenzialmente lo stoccaggio dell’energia per i veicoli elettrici e l’elettronica portatile.
