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Con la crescita dell’industria dei veicoli elettrici (EV), crescono anche la ricerca e lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio di alta qualità che li alimentano.La ricerca e l’espansione delle tecnologie di ricarica e scarica rapida, nonché l’estensione della durata della batteria, sono compiti chiave nel suo sviluppo.
Diversi fattori, come le caratteristiche dell'interfaccia elettrodo-elettrolita, la diffusione degli ioni di litio e la porosità degli elettrodi, possono aiutare a superare questi problemi e ottenere una ricarica rapida e una durata prolungata.
Negli ultimi anni, i nanomateriali bidimensionali (2D) (strutture lamellari spesse pochi nanometri) sono emersi come potenziali materiali anodici per le batterie agli ioni di litio.Questi nanofogli hanno un'elevata densità di siti attivi e un elevato rapporto d'aspetto, che contribuiscono alla ricarica rapida e ad eccellenti caratteristiche di ciclismo.
In particolare, i nanomateriali bidimensionali basati sui diboruri dei metalli di transizione (TDM) hanno attirato l'attenzione della comunità scientifica.Grazie ai piani a nido d'ape degli atomi di boro e dei metalli di transizione multivalenti, i TMD mostrano un'elevata velocità e stabilità a lungo termine dei cicli di stoccaggio degli ioni di litio.
Attualmente, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Noriyoshi Matsumi del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) e dal Prof. Kabir Jasuja dell’Indian Institute of Technology (IIT) Gandhinagar sta lavorando per esplorare ulteriormente la fattibilità dello stoccaggio dei TMD.
Il gruppo ha condotto il primo studio pilota sullo stoccaggio di nanofogli gerarchici (THNS) di diboruro di titanio (TiB2) come materiali anodici per batterie agli ioni di litio.Il team comprendeva Rajashekar Badam, ex docente senior JAIST, Koichi Higashimin, esperto tecnico JAIST, Akash Varma, ex studente laureato JAIST e la dottoressa Asha Lisa James, studentessa dell'IIT Gandhinagar.
I dettagli della loro ricerca sono stati pubblicati in ACS Applied Nano Materials e saranno disponibili online il 19 settembre 2022.
Il TGNS è stato ottenuto mediante ossidazione della polvere di TiB2 con perossido di idrogeno seguita da centrifugazione e liofilizzazione della soluzione.
Ciò che distingue il nostro lavoro è la scalabilità dei metodi sviluppati per sintetizzare questi nanofogli di TiB2.Per trasformare qualsiasi nanomateriale in una tecnologia tangibile, la scalabilità è il fattore limitante.Il nostro metodo sintetico richiede solo agitazione e non richiede attrezzature sofisticate.Ciò è dovuto al comportamento di dissoluzione e ricristallizzazione del TiB2, una scoperta accidentale che rende questo lavoro un promettente ponte dal laboratorio al campo.
Successivamente, i ricercatori hanno progettato una semicella anodica agli ioni di litio utilizzando il THNS come materiale attivo dell’anodo e hanno studiato le proprietà di immagazzinamento della carica dell’anodo basato su THNS.
I ricercatori hanno appreso che l’anodo basato su THNS ha un’elevata capacità di scarica di 380 mAh/g con una densità di corrente di soli 0,025 A/g.Inoltre, hanno osservato una capacità di scarica di 174 mAh/g con un'elevata densità di corrente di 1 A/g, una ritenzione di capacità dell'89,7% e un tempo di ricarica di 10 minuti dopo 1000 cicli.
Inoltre, gli anodi agli ioni di litio basati su THNS possono resistere a correnti molto elevate, da circa 15 a 20 A/g, fornendo una ricarica ultraveloce in circa 9-14 secondi.A correnti elevate, il mantenimento della capacità supera l'80% dopo 10.000 cicli.
I risultati di questo studio mostrano che i nanosheet 2D TiB2 sono candidati idonei per la ricarica rapida di batterie agli ioni di litio a lunga durata.Evidenziano inoltre i vantaggi dei materiali sfusi su scala nanometrica come il TiB2 per proprietà favorevoli tra cui eccellente capacità ad alta velocità, stoccaggio di carica pseudocapacitiva ed eccellenti prestazioni di ciclismo.
Questa tecnologia di ricarica rapida può accelerare la diffusione dei veicoli elettrici e ridurre notevolmente i tempi di attesa per la ricarica di vari dispositivi elettronici mobili.Ci auguriamo che i nostri risultati ispirino ulteriori ricerche in quest’area, che possano in definitiva portare comodità agli utenti di veicoli elettrici, ridurre l’inquinamento atmosferico urbano e alleviare lo stress associato alla vita mobile, aumentando così la produttività della nostra società.
Il team prevede che questa straordinaria tecnologia venga presto utilizzata nei veicoli elettrici e in altri dispositivi elettronici.
Varma, A., et al.(2022) Nanofogli gerarchici basati sul diboruro di titanio come materiali anodici per batterie agli ioni di litio.Nanomateriali applicati ACS.doi.org/10.1021/acsanm.2c03054.
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