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La nuova tecnica di rivestimento trova applicazione negli anodi delle batterie al litio di nuova generazione

2022-04-15

di Lisa Zyga, Phys.org


(Phys.org)âQuando Ovadia Lev, Professore di Chimica Ambientale e Salute presso l'Università Ebraica di Gerusalemme, e il suo team di ricerca hanno sviluppato una nuova tecnologia di rivestimento alcuni anni fa, hanno pensato che fosse un risultato interessante della loro ricerca in soluzioni di perossido di idrogeno. Tuttavia, non erano sicuri di cosa farne fino a quando non hanno incontrato un team di ricercatori alla ricerca di un modo semplice per sintetizzare nuovi materiali anodici per batterie agli ioni di litio, come i compositi grafene-ossido di stagno.

"Da diversi anni il mio laboratorio, in collaborazione con il mio ex studente post-dottorato e attuale partner di ricerca, il dottor Petr Prikhodchenko, ha svolto ricerche sulla chimica sol-gel in soluzioni ricche di perossido di idrogeno", ha detto Lev a Phys.org. "Uno dei risultati di questa ricerca è stata una tecnologia per rivestire il particolato mediante punti nanometrici di ossido di metallo. Abbiamo iniziato a cercare un'applicazione dimostrativa accattivante che mettesse in luce i vantaggi della nostra procedura di rivestimento. In un certo senso, avevamo una medicina ed eravamo alla ricerca di una malattia adatta.

"Poi, il mio laboratorio è stato coinvolto in una collaborazione tra Israele e Singapore supportata dalla Singapore National Research Foundation nell'ambito del suo programma CREATE: Nanomaterials for Energy and Water Management, e i nostri partner di Singapore si sono presto resi conto che gli anodi delle batterie agli ioni di litio possono trarre grandi vantaggi dal flessibilità e semplicità del nostro approccio al rivestimento antiparticolato."

I ricercatori sulle batterie trovano l'ossido di grafene-stagno attraente come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio per tre motivi principali: ha un'elevata capacità di carica teorica, il grafene ha un'elevata conduttività e i nanocristalli di ossido di grafene e ossido di stagno sono in stretto contatto.

Il problema è che la sintesi di questi compositi, che comporta il rivestimento di uno strato ultrasottile di nanocristalli di ossido di stagno su un foglio di ossido di grafene, è stato in precedenza un processo costoso e ad alta temperatura. Ma utilizzando la nuova tecnologia di rivestimento, i ricercatori hanno scoperto che potevano sintetizzare compositi grafene-ossido di stagno a temperatura ambiente, senza infrastrutture complicate, a costi ridotti e in modo ecologico.

Lev, Prikhodchenko e i loro coautori, provenienti da istituzioni in Israele, Russia e Singapore, hanno pubblicato il loro studio sul metodo di sintesi migliorato in un recente numero di Nanotechnology.

Come spiegano i ricercatori, la nuova tecnologia di rivestimento del particolato utilizza il perossido di idrogeno per indurre la formazione e la deposizione di nanocristalli di ossido di stagno sull'ossido di grafene. In uno studio precedente, i ricercatori hanno scoperto che il perossido di idrogeno promuove la formazione di un rivestimento di ossido di stagno attraverso diversi meccanismi chimici, come la promozione del legame e la prevenzione dell'aggregazione delle particelle.

Usando questa tecnica di rivestimento, qui i ricercatori hanno ottenuto una dimensione media di nanocristalli di ossido di stagno di soli 2,5 nm, che è significativamente inferiore alla dimensione di 4 nm precedentemente raggiunta. Le dimensioni ridotte riducono la deformazione causata dalla lega di litio, che a sua volta migliora le prestazioni del ciclo di carica/scarica.

Per dimostrare le prestazioni dei compositi nelle batterie, i ricercatori hanno utilizzato l'ossido di grafene-stagno per preparare due tipi di anodi agli ioni di litio: ossido di grafene con un rivestimento di ossido di stagno e ossido di grafene con un rivestimento di ossido di stagno e stagno. Entrambi gli anodi hanno mostrato un'elevata capacità (a partire da circa 1500 mAhg-1) che supera la capacità teorica prevista, sebbene sia scesa a circa 700 mAhg-1 dopo 90 cicli. Entrambi gli anodi hanno anche mostrato una ciclicità di carica/scarica stabile a causa dell'intimo contatto tra il grafene conduttivo e nanocristalli di ossido di stagno molto piccoli. Il composito senza stagno ha mostrato una capacità di carica più elevata ma una stabilità leggermente inferiore dopo un ciclo di carica/scarica estesi rispetto al composito rivestito sia con ossido di stagno che con stagno, che i ricercatori attribuiscono a una differenza nel trattamento termico piuttosto che alla differenza di composizione.

Lev ha spiegato come gli anodi di ossido di grafene-stagno si inseriscono nel quadro generale dell'attuale ricerca sulle batterie agli ioni di litio.

"Le batterie agli ioni di litio sono sviluppate in diverse direzioni parallele, mirando al miglioramento della capacità di carica, alla densità di energia specifica, ai tassi di carica e scarica, alla durata della batteria e allo sbiadimento della carica, alla sicurezza della batteria e soprattutto al costo della batteria, il che richiede un processo di produzione economico da materie prime a buon mercato", ha detto. "Ogni applicazione di batterie ricaricabili dovrebbe avere una diversa funzione target di ottimizzazione risultante in una diversa composizione cellulare. Ad esempio, lo sbiadimento della carica è tollerato in modo diverso nei giocattoli e negli smartphone e le due diverse popolazioni di consumatori saranno disposte a pagare in modo diverso per la batteria aggiuntiva vita.

"Il nostro nuovo approccio mira solo a due di questi aspetti: capacità di carica superiore, che è più del doppio di quella degli anodi di grafite, e basso costo, che si manifesta in materie prime a basso costo e nella lavorazione della chimica umida".


In futuro, gli scienziati hanno in programma di espandere la loro ricerca ad altre composizioni di elettrodi che potrebbero trarre vantaggio dall'elaborazione del sol-gel di perossido di idrogeno.