Materiali

Gli ingegneri dell'Università di Tokyo hanno sviluppato un nuovo metodo per creare batterie a lunga durata e ad alta capacità.

Gli ingegneri presso l'Università di Tokyo sono sempre all'avanguardia nel trovare nuove strategie per migliorare la tecnologia delle batterie. Il professor Atsuo Yamada (1) e il suo team, hanno recentemente sviluppato un materiale che potrebbe prolungare significativamente la durata delle batterie e offrire loro anche capacità più elevate. La ricerca è stata pubblicata da Nature Communications. (2)

Dagli smartphone ai pacemaker e ora anche alle auto. Le batterie alimentano gran parte del nostro mondo e la loro importanza continua a crescere. Ci sono due aspetti particolari delle batterie che molti ritengono debbano migliorare per soddisfare i nostri futuri bisogni. Questi sono la longevità della batteria e anche la sua capacità, ovvero quanta carica può immagazzinare.

È probabile che i tuoi dispositivi utilizzino un tipo di batteria chiamata batteria agli ioni di litio. Ma un altro tipo basato sul sodio piuttosto che sul litio potrebbe presto diventare un luogo comune. Entrambi i tipi di batteria possono immagazzinare e fornire una grande quantità di carica, grazie al modo in cui i materiali costitutivi trasmettono gli elettroni nel suo sistema. Ma sia nelle batterie al litio che in quelle al sodio, cicli ripetuti di carica e utilizzo possono ridurre significativamente la capacità di stoccaggio nel tempo.

Se tu potessi vedere all'interno di una normale batteria, osserveresti strati di materiale metallico. Man mano che le batterie si caricano e scaricano, questi strati si degradano e sviluppano fessure o scaglie chiamate - errori di stacking - che riducono la capacità delle batterie di immagazzinare e fornire carica. Questi errori di stacking si verificano perché il materiale è tenuto insieme da una forza debole chiamata forza di Van der Waals, che è facilmente sopraffatta dallo stress messo sui materiali durante la carica e l'uso.

I ricercatori di Carnegie Mellon hanno sviluppato un anodo di metallo semi-liquido per batterie di prossima generazione. Il nuovo anodo potrebbe contribuire a creare una batteria al litio in metallo ad alta energia più sicura.

I ricercatori del Mellon College of Science e del College of Engineering della Carnegie Mellon University hanno sviluppato un anodo semiliquido basato su metallo che rappresenta un nuovo paradigma nella progettazione delle batterie. Le batterie al litio prodotte con questo nuovo tipo di elettrodo potrebbero avere una capacità maggiore ed essere molto più sicure rispetto alle batterie a base di litio concepite sul metallo che utilizzano come anodo la lamina di litio.

Il team di ricerca interdisciplinare ha pubblicato le sue scoperte nell'attuale numero di Joule. (1)

Le batterie a base di litio sono uno dei tipi più comuni di batterie ricaricabili utilizzate nell'elettronica moderna a causa della loro capacità di immagazzinare grandi quantità di energia. Tradizionalmente, queste batterie sono fatte di elettroliti liquidi combustibili e due elettrodi, un anodo e un catodo, che sono separati da una membrana. Dopo che una batteria è stata caricata e scaricata ripetutamente, fili di litio chiamati dendriti possono crescere sulla superficie dell'elettrodo. I dendriti possono penetrare attraverso la membrana che separa i due elettrodi. Ciò consente il contatto tra l'anodo e il catodo che può causare il cortocircuito della batteria e, nel peggiore dei casi, prendere fuoco.

Il dottor Krzysztof Matyjaszewski, (2) J.C. Warner University Professor of Natural Sciences nel Dipartimento di Chimica di Carnegie Mellon, spiega: "incorporare un anodo di litio metallico nelle batterie agli ioni di litio ha il potenziale teorico di creare una batteria con una capacità molto maggiore di una batteria con un anodo di grafite, ma la cosa più importante che dobbiamo fare è assicurarci che la batteria che creiamo sia sicura."

La scoperta può portare a nuovi materiali per la memorizzazione dei dati in dispositivi di prossima generazione. La ricerca, finanziata dall'esercito USA, dimostra, per la prima volta, la chiralità emergente negli skirmioni polari nei superlattici di ossido

La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, (1) finanziata in parte dall'esercito statunitense, ha identificato proprietà in materiali che un giorno potrebbero portare a applicazioni come dispositivi di archiviazione dati più potenti che continuano a contenere informazioni anche dopo che un dispositivo è stato spento.

Un team di ricercatori guidati dalla Cornell University e dall'University of California Berkeley ha fatto una scoperta che apre una miriade di nuove possibilità esplorative di sistemi, materiali e fenomeni fisici.

Gli scienziati hanno osservato per la prima volta la cosiddetta chiralità in skyrmioni (2) polari in un materiale artificiale squisitamente progettato e sintetizzato con proprietà elettriche reversibili. La chiralità è il processo in cui due oggetti, come un paio di guanti, possono essere immagini speculari l'uno dell'altro ma non possono essere sovrapposti l'uno sull'altro. Gli skyrmioni polari sono trame costituite da cariche elettriche opposte note come dipoli. (3)

Gli scienziati hanno sempre dato per scontato che gli skyrmioni potevano comparire solo in materiali magnetici, dove interazioni speciali tra gli spin magnetici degli elettroni carichi stabilizzano i modelli chirali dei contorti degli skyrmioni. E stata una grande sorpresa per i ricercatori identificare gli skyrmioni in un materiale elettrico.

La combinazione di skyrmioni polari e di queste proprietà elettriche può consentire lo sviluppo di nuovi dispositivi che sono di interesse significativo per l'esercito degli Stati Uniti, specialmente usando la chiralità come parametro manipolabile.