La batteria delle elettriche può durare molto più a lungo

Il silicene prova a superare uno dei grandi limiti degli anodi al silicio

Il silicio può accumulare molta più energia della grafite, ma si espande durante la carica: una nuova struttura prova a fermare il problema

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Eleonora Lilli

Di: Eleonora Lilli

21 set alle 07:00

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E se la batteria dell’auto elettrica potesse invecchiare molto più lentamente? È una delle domande che stanno guidando la ricerca sui nuovi materiali per gli accumulatori. E questa volta sotto i riflettori finisce il silicio, da anni considerato uno dei candidati più interessanti per aumentare la quantità di energia immagazzinabile senza dover aumentare necessariamente le dimensioni della batteria.

Il problema è che il silicio ha anche un difetto difficile da ignorare: quando la batteria si carica, si espande; quando si scarica, si contrae. Ripetendo questo processo centinaia o migliaia di volte, il materiale può danneggiarsi e perdere progressivamente le proprie prestazioni.

Un nuovo studio prova ad aggirare l'ostacolo con una struttura costruita come un “sandwich” su scala atomica, alternando strati di silicene e C3N, una rete formata da carbonio e azoto, per sfruttare il potenziale del silicio cercando allo stesso tempo di tenerne sotto controllo le deformazioni.

Per chi guida un'auto elettrica, la posta in gioco è tutt'altro che teorica: se un anodo riuscisse a mantenere meglio le proprie caratteristiche nel tempo, la batteria potrebbe conservare più a lungo la capacità iniziale e quindi anche una parte maggiore della sua autonomia.

Il silicio può far fare un salto alla batteria

Il motivo per cui il silicio interessa così tanto ai ricercatori è la sua capacità teorica di immagazzinare molta più energia rispetto alla grafite, il materiale ancora utilizzato negli anodi della maggior parte delle batterie agli ioni di litio.

Visualizzazione tridimensionale a livello atomico della struttura a strati alternati di silicene e C3N, progettata per accogliere gli ioni di litio e stabilizzare l'espansione del silicio nelle batterie di nuova generazione.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Il rovescio della medaglia è proprio l'espansione durante la carica. Il silicio può cambiare notevolmente volume e, ciclo dopo ciclo, questo movimento può provocare crepe, perdita di contatto elettrico e degrado dell'anodo.

La struttura studiata con silicene e C3N cerca di intervenire proprio qui. Il silicene è costituito da uno strato estremamente sottile di atomi di silicio, mentre il C3N forma una struttura a base di carbonio e azoto che può agire come una sorta di impalcatura.

Alternando i due materiali, i ricercatori puntano a distribuire meglio le sollecitazioni e a limitare gli effetti dell'espansione del silicio. È un approccio molto diverso dal semplice utilizzo di particelle di silicio mescolate con altri materiali.

I risultati fanno sperare, ma l'auto è ancora lontana

La ricerca sul silicene non parte da zero. Un altro studio ha sperimentato un anodo composto da silicene multilayer e grafite, ottenuto anche utilizzando polvere di silicio recuperata da pannelli fotovoltaici a fine vita.

Il materiale ha raggiunto un'efficienza coulombica superiore al 97% e una capacità reversibile di circa 290 mAh per grammo a 1C per 500 cicli. Detto in modo semplice, l'efficienza coulombica indica quanta della carica immessa nella batteria può essere recuperata durante il ciclo successivo. Più questo valore rimane vicino al 100%, minori sono le perdite legate ai cicli di carica e scarica.

Numeri del genere sono interessanti per la ricerca sulle batterie, ma non significano ancora che un'auto elettrica con questo tipo di anodo sia pronta a uscire da una fabbrica.Per arrivare alla produzione servono infatti test molto più lunghi, celle di dimensioni maggiori, processi industriali affidabili e costi compatibili con quelli dell'automotive.

La sfida è la stessa degli anodi silicio-carbonio

Il Silicene/C3N si inserisce in una corsa molto più ampia. Una delle strade oggi più seguite è quella degli anodi silicio-carbonio, che cercano di combinare l'elevata capacità del silicio con la maggiore stabilità e conducibilità del carbonio.

Alcuni materiali sperimentali hanno raggiunto capacità superiori a 6.500 mAh per grammo, ma anche in questo caso il dato da solo non basta. Un anodo deve riuscire a mantenere le proprie prestazioni nel tempo e avere un'efficienza sufficiente per poter essere utilizzato in una cella commerciale.

Silicene/C3N si inserisce nella ricerca su anodi silicio-carbonio, puntando a più capacità e maggiore durata.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Altri gruppi di ricerca stanno provando architetture come Si@SiC@C o strutture nelle quali uno strato di azoto viene inserito tra silicio e MXene. Cambiano i materiali e la progettazione, ma il problema da risolvere rimane sostanzialmente lo stesso: impedire che il silicio si deteriori troppo rapidamente. Nel caso del Silicene/C3N, la particolarità è l'organizzazione dei materiali. Non si tratta semplicemente di disperdere il silicio all'interno del carbonio, ma di creare una successione ordinata di strati estremamente sottili.

Prima della batteria del futuro bisogna superare la prova più difficile

Nel frattempo, alcune tecnologie silicio-carbonio stanno già facendo il percorso verso la produzione industriale. Tra queste c'è il Titan Silicon di Sila, sviluppato per realizzare celle ad alta densità energetica destinate anche a modelli premium di nuova generazione.

Il Silicene/C3N è invece ancora nella fase della ricerca. Per trasformarlo in una tecnologia per auto elettriche servirà dimostrare che può essere prodotto su larga scala, a costi sostenibili e soprattutto che può sopportare migliaia di cicli senza perdere rapidamente capacità.

Per l'automobilista, alla fine, è questo il numero che conta davvero. Una batteria può promettere un'autonomia enorme sulla carta, ma se dopo alcuni anni perde una parte consistente della sua capacità il vantaggio si riduce.

La ricerca sul silicene prova quindi a risolvere uno dei problemi più importanti delle batterie di domani: non soltanto immagazzinare più energia, ma riuscire a farlo per molto più tempo.