Il mercato dei veicoli elettrici sta vivendo una crescita esplosiva, con un fatturato globale superiore a 1 trilione di dollari nel 2022 e le vendite domestiche in Corea che superano le 108.000 unità. Inevitabilmente, la richiesta di batterie ad alta capacità che possano estendere l’autonomia dei veicoli elettrici sta crescendo. Recentemente, un team congiunto di ricercatori del POSTECH e dell’Università di Sogang ha sviluppato un legante polimerico funzionale per un materiale anodico stabile ad alta capacità che potrebbe aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici almeno di dieci volte.
Un team di ricerca guidato dai professori del POSTECH, Soojin Park (Dipartimento di Chimica) e Youn Soo Kim (Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali) e il professor Jaegeon Ryu (Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare) dell’Università di Sogang, ha sviluppato un legante polimerico caricato per un materiale anodico ad alta capacità che sia stabile ed affidabile, offrendo una capacità dieci volte superiore rispetto a quella degli anodi convenzionali in grafite. Questa svolta è stata raggiunta sostituendo la grafite con un anodo in silicio combinato con polimeri caricati a strati, mantenendo nel contempo stabilità ed affidabilità. I risultati della ricerca sono stati pubblicati come articolo di copertina su Advanced Functional Materials.
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I materiali anodici ad alta capacità, come il silicio, sono essenziali per creare batterie agli ioni di litio ad alta densità energetica; possono offrire almeno dieci volte la capacità della grafite o altri materiali anodici attualmente disponibili. La sfida qui è rappresentata dalla forte espansione volumetrica dei materiali anodici ad alta capacità durante la reazione con il litio, che rappresenta una minaccia per le prestazioni e la stabilità della batteria. Per mitigare questo problema, i ricercatori hanno studiato leganti polimerici che possono controllare efficacemente l’espansione volumetrica.
Tuttavia, fino ad oggi, la ricerca si è concentrata esclusivamente sulla reticolazione chimica e il legame ad idrogeno. La reticolazione chimica comporta un legame covalente tra le molecole del legante, rendendole solide ma presenta un difetto fatale: una volta rotto, i legami non possono essere ripristinati. D’altra parte, il legame ad idrogeno è un legame secondario reversibile tra le molecole basato sulla differenza di elettronegatività, ma la sua forza (10-65 kJ/mol) è relativamente debole.
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Il nuovo polimero sviluppato dal team di ricercatori non solo utilizza il legame ad idrogeno, ma sfrutta anche le forze coulombiane (attrazione tra cariche positive e negative). Queste forze hanno una forza di 250 kJ/mol, molto superiore a quella del legame ad idrogeno, ma sono reversibili, rendendo facile il controllo dell’espansione volumetrica. La superficie dei materiali anodici ad alta capacità è per lo più a carica negativa, ed i polimeri caricati a strati sono disposti alternativamente con cariche positive e negative per legarsi efficacemente all’anodo. Inoltre, il team ha introdotto il polietilene glicole per regolare le proprietà fisiche e facilitare la diffusione degli ioni di litio, ottenendo l’elettrodo ad alta capacità e densità energetica massima trovata nelle batterie agli ioni di litio.
Il professore Soojin Park ha spiegato: “La ricerca ha il potenziale per aumentare significativamente la densità energetica delle batterie agli ioni di litio attraverso l’integrazione di materiali anodici ad alta capacità, estendendo così l’autonomia dei veicoli elettrici. I materiali anodici a base di silicio potreb
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