Un materiale promettente per batterie agli ioni di litio più sicure raggiunge livelli record di conduttività
Un nuovo meccanismo di conduttività negli ossifluoruri ribalta il dogma dei solfuri
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C’è un buon motivo per cui ogni volta che si effettua il check-in per un volo, viene chiesto di confermare che nel bagaglio da stiva non siano presenti caricabatterie portatili o power bank. Un elettrolita liquido altamente infiammabile trasporta gli ioni di litio (Li) tra gli elettrodi delle batterie agli ioni di litio che alimentano questi dispositivi. Di conseguenza, se una batteria agli ioni di litio viene danneggiata, il suo elettrolita liquido può causare un incendio catastrofico.
Gli elettroliti solidi, che possono contribuire a ridurre questo rischio, sono oggetto di un'intensa attività di ricerca. Una delle sfide più importanti nella realizzazione di batterie allo stato solido è l'aumento della loro conduttività ionica, ovvero la facilità con cui gli ioni di litio con carica positiva possono muoversi attraverso l’elettrolita solido.
Esistono alcuni elettroliti solidi contenenti materiali a base di solfuro e cloruro che presentano un’elevata conduttività. Tale conduttività deriva dal fatto che le nuvole di elettroni attorno agli ioni solfuro o cloruro caricati negativamente possono deformarsi facilmente al passaggio degli ioni di litio attraverso il materiale. Tuttavia, questi elettroliti presentano problemi di sicurezza: l’esposizione all’umidità può provocare il rilascio nell’aria di gas tossici quali l’idrogeno solforato e l’acido cloridrico.
In confronto, gli ossidi e gli ossifluoruri sono molto più resistenti. Quando vengono utilizzati come elettroliti solidi, sono anche più stabili dal punto di vista elettrochimico, il che è importante poiché i materiali delle batterie subiscono ripetute variazioni di tensione durante la carica e la scarica. D’altro canto, però, hanno generalmente mostrato una bassa conduttività.
«In questa fase, sicurezza e conduttività ionica rappresentano un compromesso», ha affermato Takeshi Yajima, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione nella Progettazione dei Materiali dell’Università di Nagoya. «Gli ossifluoruri sono più sicuri ma hanno una bassa conduttività, mentre i solfuri hanno un’elevata conduttività ma possono essere pericolosi».
Un conduttore sorprendentemente efficace…
Nel 2024, è stato scoperto che un nuovo cristallo di ossifluoruro con formula chimicaLi₂–xLa(1+x)/3Nb₂O₆F, abbreviato in “LLNOF”, è stato scoperto avere una conduttività insolitamente elevata, pari a sette millisiemens per centimetro (mS/cm), paragonabile a quella degli elettroliti liquidi. Ma il motivo per cui mostrasse questa conduttività rimaneva un mistero: la nube di elettroni attorno allo ione fluoruro centrale non si deforma così facilmente come nei solfuri o nei cloruri, il che impediva di spiegare il comportamento dell’LLNOF attraverso il meccanismo precedentemente noto.
Subito dopo questa scoperta, Yajima e il suo laboratorio hanno deciso di coltivare autonomamente monocristalli di LLNOF di alta qualità per individuare il meccanismo. Questa, afferma Yajima, è stata la parte più difficile, che ha richiesto oltre un anno per essere portata a termine. «Dovevamo assicurarci che i cristalli fossero di qualità sufficientemente elevata per l’analisi strutturale», ha spiegato.
Ma gli sforzi dei ricercatori hanno dato i loro frutti, poiché sono riusciti a far crescere monocristalli di LLNOF delle dimensioni di un millimetro utilizzando il metodo di Bridgman. Grazie alla diffrazione su monocristallo, sono riusciti a osservare la disposizione e il riordino locale degli atomi all’interno di ciascuna unità cristallina.
…svela il suo segreto
Ciò che hanno scoperto è stata un’interazione dinamica tra quattro siti atomici che formano un tetraedro attorno allo ione fluoruro dell’LLNOF. Ciascuno di questi siti può contenere uno ione litio, un atomo di lantanio oppure rimanere vacante. I ricercatori hanno scoperto che ogni volta che uno ione Li salta sul successivo sito vacante, lo ione fluoruro centrale migra leggermente verso il sito originario del litio. Gli ioni fluoruro, in pratica, «si fanno da parte», abbassando la barriera energetica che impedisce agli ioni Li di spostarsi.
Ecco perché, rispetto ad altri ossifluoruri in cui gli atomi rimangono rigidi, l’LLNOF mostra una maggiore conduttività degli ioni di litio.
I ricercatori hanno quindi modificato la composizione di questo cristallo variando le quantità relative di litio, lantanio e siti vacanti nell’LLNOF (la “x” nella sua formula chimica). Hanno scoperto che la conduttività migliorava riducendo x, raggiungendo un valore massimo di 16,3 mS/cm. Questo risultato, che rappresenta la più alta conduttività di ioni di litio nel volume mai riportata tra gli elettroliti solidi a base di ossidi, è stato pubblicato sul Journal of the American Chemical Society.
Yajima ritiene che questo meccanismo, che non si basa su ioni altamente polarizzabili, possa essere utilizzato per sviluppare elettroliti solidi a base di ossidi ancora più efficienti. «L’opinione comune è che i materiali a base di solfuro siano migliori conduttori grazie alla loro natura anionica, ma questo meccanismo mette in discussione tale convinzione», aggiunge. Questa ricerca segna un passo importante verso la realizzazione di batterie agli ioni di litio allo stato solido pronte per l’uso pratico.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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