Oltre il meccanismo a ruota a pale
Analisi del trasporto microscopico degli ioni di litio negli elettroliti allo stato solido per le batterie di nuova generazione
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Un gruppo di ricerca collaborativo internazionale guidato dal professor Bong June Sung del Dipartimento di Chimica dell’Università di Sogang e dal professor Shinji Saito dell’Istituto di Scienze Molecolari (IMS), dagli Istituti Nazionali di Scienze Naturali (NINS) e dall’Università di Studi Avanzati SOKENDAI ha chiarito, a livello molecolare, come gli ioni di litio si muovono all’interno dei cristalli plastici ionici organici (OIPC) – che stanno attirando l’attenzione come elettroliti solidi per le batterie di prossima generazione.
Negli OIPC, sebbene il materiale sia solido, le molecole e gli ioni all’interno del cristallo ruotano attivamente in situ; di conseguenza, il “meccanismo a ruota a pale” – in cui questo movimento rotatorio spinge in avanti gli ioni di litio – è stato a lungo considerato il meccanismo principale della conduzione ionica. In questo studio, i ricercatori hanno riesaminato teoricamente questa ipotesi utilizzando simulazioni di dinamica molecolare su un supercomputer e l’analisi della funzione di salto, che estrae con precisione i singoli salti ionici. I risultati hanno rivelato che il movimento degli ioni di litio non è guidato direttamente dal moto rotatorio circostante, ma avviene piuttosto attraverso il riarrangiamento cooperativo di una gabbia ionica formata dagli anioni circostanti. In particolare, abbiamo dimostrato teoricamente che quando il numero di anioni che circondano uno ione di litio diminuisce temporaneamente – causando l’“apertura” della gabbia – il movimento dello ione di litio aumenta in modo significativo.
Molte batterie agli ioni di litio, ampiamente utilizzate negli smartphone e nei veicoli elettrici, impiegano elettroliti liquidi. Tuttavia, gli elettroliti liquidi sono infiammabili e il rischio di incendio o esplosione rimane una delle principali preoccupazioni. Per affrontare questo problema, sono in corso ricerche volte a sviluppare elettroliti solidi altamente sicuri come soluzione promettente.
Tra questi, i cristalli plastici ionici organici (OIPC) stanno attirando l’attenzione in quanto “solidi morbidi” – materiali che, pur essendo solidi, consentono alle loro molecole e agli ioni interni di ruotare attivamente in situ. Tale movimento molecolare ha il potenziale di facilitare la migrazione degli ioni all’interno del solido, e ci si aspetta che gli OIPC fungano da materiali in grado di combinare sicurezza ed elevata conduttività ionica.
Nelle batterie agli ioni di litio, la carica e la scarica avvengono mentre gli ioni di litio si spostano attraverso l’elettrolita all’interno della batteria. Pertanto, nello sviluppo di elettroliti solidi – compresi gli OIPC – comprendere come e con quale rapidità gli ioni di litio possano muoversi all’interno dell’elettrolita è fondamentale per progettare materiali per batterie di nuova generazione sicuri e ad alte prestazioni.
La conduzione ionica negli OIPC è stata spiegata principalmente attraverso il «meccanismo a ruota a pale». In questo meccanismo, si ritiene che il movimento rotatorio delle grandi molecole e degli ioni circostanti agisca come le pale di una ruota idraulica, spingendo gli ioni di litio verso la loro posizione successiva. Tuttavia, non era ancora del tutto chiaro quando, dove e come i singoli ioni di litio si muovessero effettivamente.
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