La chiave è MXene, a materiale bidimensionale costituito da due parti: un idrogel (un gel con una componente liquida di acqua) e un ossido metallico. È strutturalmente abbastanza denso da schermare le radiazioni e filtrare l’acqua, come ha dimostrato il gruppo di ricerca di Drexel nel 2011. Ma è anche altamente conduttivo, il che lo rende un buon candidato membrane della batteria.
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Questo grazie alla composizione chimica di MXene, che ottimizza il flusso di elettrodi — i luoghi in cui l'energia viene immagazzinata nelle batterie per la ricarica — attraverso di esso. Le batterie reggono
ioni nei porti chiamati “siti attivi redox” per trattenere la carica, e il numero di porti contenuti in una batteria è direttamente proporzionale alla quantità di carica che può contenere.
A differenza delle membrane delle batterie di oggi, che hanno percorsi limitati per gli ioni per raggiungere le porte, MXene crea più percorsi attraverso i quali gli ioni possono viaggiare. Inoltre, l’elevata conduttività naturale di MXene aiuta a spostare rapidamente gli ioni, aumentando la velocità di ricarica effettiva.
“Nelle batterie tradizionali […] gli ioni hanno un percorso tortuoso verso le porte di stoccaggio della carica, che non solo rallenta tutto, ma anche crea una situazione in cui pochissimi ioni raggiungono effettivamente la loro destinazione a velocità di ricarica elevate", Maria Lukatskaya, ricercatrice del squadra, disse. “L’architettura ideale degli elettrodi sarebbe qualcosa di simile agli ioni che si spostano verso i porti tramite “autostrade” a più corsie e ad alta velocità, invece di prendere strade a corsia unica. Il design del nostro elettrodo macroporoso raggiunge questo obiettivo, consentendo una ricarica rapida, nell’ordine di pochi secondi o meno”.
Il risultato finale potrebbe essere una batteria che impiega solo “decine di millisecondi” per ricaricarsi completamente invece di minuti o ore. Yuri Gogotsi, professore di scienza dei materiali e ingegneria, ha affermato che l’applicazione di MXene nel mondo reale potrebbe portare a risultati migliori batterie del portatile E macchina elettrica batterie. “Se iniziamo a utilizzare materiali a bassa dimensionalità e conduttori elettronici come elettrodi delle batterie, possiamo far funzionare le batterie molto, molto più velocemente di oggi”, ha affermato. "Alla fine, la comprensione di questo fatto ci porterà a batterie per auto, laptop e telefoni cellulari in grado di caricarsi a velocità molto più elevate: secondi o minuti anziché ore."
Mxene non è ancora commercialmente fattibile: Gogotsi stima che ci vorranno almeno tre anni prima che si faccia strada in prodotti di massa come batterie del cellulare. Ma il team è impegnato a esplorare nuove applicazioni nel breve termine.
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