La batteria incredibilmente piccola è stata ottenuta all’interno di un microscopio a trasmissione elettronica, uno strumento in grado di visualizzare oggetti molto piccoli usando un fascio di elettroni invece che uno di fotoni (componenti della luce). “L’esperimento ci permette di studiare la carica e la scarica di una batteria in tempo reale a risoluzione atomica, in modo da incrementare la nostra comprensione dei meccanismi con i quali le batterie lavorano”, ha dichiarato Jianyu Huang, che ha guidato la ricerca.
La batteria creata da Huang e i suoi collaboratori consiste di un filo super sottile, 100 nanometri di diametro (quindi 50 volte più sottile di un capello umano) e 10 mila di lunghezza. Come primo materiale è stato usato l’ossido di silicio, ma lo studio verrà presto esteso ad altri supporti.
Il lavoro ha chiaramente dimostrato che il processo di migrazione degli ioni litio, che porta alla scarica di questi con produzione di una corrente di elettroni, è possibile anche in un filo così sottile, perché questo non solo non si rompe, ma si allunga fino a due volte le sue dimensioni originali. In questo modo da un lato si ha un supporto più che valido per la creazione di un’efficiente batteria, dall’altro si riduce la probabilità di avere un cortocircuito, che avviene tanto più facilmente quanto più vicini sono i poli della batteria.
I ricercatori hanno anche osservato - con loro grande sorpresa iniziale - che il materiale si deformava sensibilmente senza rompersi, oltre ad allungarsi, e questo è stato spiegato con una penetrazione di ioni litio all’interno del reticolo cristallino dell’ossido, che genera più di una zona ad alta densità ionica.
“Queste osservazioni - continua Huang - dimostrano come il nano filo può sopportare grossi stress, maggiori di 10 Giga Pascal (più di 100 mila di atmosfere, N.d.R.), indotti dal processo di accumulo di litio, senza rompersi, e questo indica che il materiale è un ottimo candidato per gli elettrodi delle batterie”.
L’espansione di volume indotta dal processo di accumulo di litio (detto ‘litiazione’), la plasticità e la polverizzazione dei materiali che costituiscono gli elettrodi sono i principali difetti meccanici che influenzano l’efficienza e la durata delle batterie al litio (in particolare degli anodi, ovvero dei poli dove il litio si scarica rilasciando la corrente elettrica), sottolinea il capo ricerca, che poi precisa: “Per questo le nostre osservazioni sull’amorfizzazione del materiale (il cambiamento da struttura cristallina a disordinata, N.d.R.) hanno importanti implicazioni sul design di batterie ad alta energia”.
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