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- ELETTRONICA OGGI 430 - SETTEMBRE 2013
TECH INSIGHT
NANOMATERIAL
l’industria delle auto e dei veicoli elettrici, dove esten-
dere l’autonomia energetica e la fattibilità economica di
tali mezzi di trasporto diventerebbe un progetto maggior-
mente realizzabile.
Problemi superati e roadmap R&D
I problemi riscontrabili nelle attuali batterie al litio sono
soprattutto da imputare alla deformazioni, corrosioni e
rotture del substrato del materiale anodico che si verifi-
cano nel tempo, dopo ripetuti cicli di carica/scarica. Un
altro classico inconveniente è poi dovuto al fatto che i
prodotti di tali deformazioni e decomposizioni formano
sull’anodo uno strato di materiale, chiamato SEI (solid
electrolyte interphase), in grado alla lunga di influenzare
la mobilità degli ioni di litio durante il processo di carica/
scarica.
In sostanza, danni di questo genere finiscono per com-
promettere l’efficienza di funzionamento della batteria,
rivelandone il grado di usura e invecchiamento. Invece,
utilizzando negli anodi nanofili in silicio, è possibile otte-
nere un maggiore controllo sui cambiamenti di struttura
e volume del substrato e sulla formazione e stabilità dello
strato SEI. Inoltre è possibile accorciare le distanze che
gli ioni di litio devono percorrere per diffondersi e, in
generale, migliorare la struttura dei meccanismi di tra-
sporto degli elettroni.
La roadmap di ricerca e sviluppo di Amprius ha allo stu-
dio generazioni successive della tecnologia (Gen 2, Gen
3, Gen 4, Gen 5), ulteriormente migliorate, ad esempio
prevedendo la progettazione di strutture a guscio (Gen
2 – core-shell), di altre cave all’interno (Gen 3 – hollow
structure) per velocizzare la normalizzazione delle defor-
mazioni, o di altre ancora più complesse (Gen4 – double
walled hollow structure) in grado di rendere stabile lo
strato SEI. La quinta generazione prevede poi la creazio-
ne di strutture a guscio d’uovo, indirizzate a contenere
maggiormente i costi di produzione. Negli ultimi vent’an-
ni, spiega Amprius, dall’introduzione della batteria agli
ioni di litio, i miglioramenti nella densità di energia sono
stati in gran parte guidati da una crescente utilizzazione
dei materiali elettrochimicamente attivi di cui la stessa
batteria è fatta. Ma, nella sostanza, tali materiali sono
rimasti largamente invariati nel tempo. Tanto che oggi
essi sono utilizzati a un livello molto vicino ai loro limiti
teorici di funzionamento. Si è reso dunque necessario
trovare nuove soluzioni, e materiali con una più elevata
densità di energia, per spingere ancora più avanti questi
limiti fisici. Come prima accennato, l’utilizzo del silicio
come materiale consente di incrementare di oltre dieci
volte la capacità teorica di immagazzinamento dell’ener-
gia fornita dal carbonio, il materiale per la realizzazione
degli anodi che attualmente rappresenta lo stato dell’arte.
Finora però, ha precisato Amprius, l’uso di anodi silicon-
based nelle batterie, attuato applicando approcci conven-
zionali, aveva portato a insuccessi. In particolare a causa
del fatto che l’inserimento di ioni di litio provoca la dila-
tazione del silicio fino al 400% durante il processo di cari-
ca. E questa dilatazione porta le intere strutture di silicio
a fratturarsi, diminuendo la vita della batteria, già soltan-
to dopo pochi cicli di carica/scarica. Invece, strutturato
nella conformazione di nanofili, il silicio è in grado di dila-
tarsi senza fratturarsi. Amprius avrebbe infatti dimostrato
che anodi fatti di nanofili in silicio tollerano
le deformazioni e possono espandersi e
contrarsi senza rompersi, anche dopo cen-
tinaia di cicli di carica/scarica. Oltre che
nelle batterie per smartphone e dispositivi
di fascia consumer, gli anodi costruiti con
nanofili in silicio trovano nel mercato molte
altre utilizzazioni. Il professor Cui ha infatti
illustrato la fattibilità di realizzazione di
indumenti e capi d’abbigliamento di vario
genere in grado di immagazzinare ener-
gia; ma anche la possibilità di realizzare
batterie trasparenti, o elettrodi trasparenti
per applicazioni in display e touchscreen.
Un’altra opportunità di applicazione molto
interessante si presenta nella messa a
punto di nanofiltri in grado di fermare ed
eliminare i batteri patogeni.
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