Energia sicura e performante: scoperti materiali rivoluzionari per batterie
In un recente sviluppo nel campo delle tecnologie per l’accumulo di energia, un gruppo di ricercatori ha identificato un nuovo tipo di conduttore per ioni di litio, caratterizzato da un’elevata stabilità e conducibilità. Questo materiale, un ossifluoruro di tipo piroclore, si presenta come un candidato ideale per l’uso come elettrolita solido nelle batterie agli ioni di litio allo stato solido. Queste batterie rappresentano una frontiera avanzata rispetto alle tradizionali batterie con elettroliti liquidi, grazie alla loro maggiore densità energetica e sicurezza.
Le batterie allo stato solido , utilizzando elettroliti solidi, non sono infiammabili e offrono una densità energetica superiore e numeri di trasferimento ionico più elevati rispetto alle controparti con elettroliti liquidi. Queste caratteristiche le rendono potenziali sostituti nei mercati dominati dalle batterie tradizionali a elettrolita liquido, inclusi i veicoli elettrici. Tuttavia, gli elettroliti solidi presentano alcune sfide, come una minore conducibilità degli ioni di litio e difficoltà nel mantenere un contatto adeguato tra gli elettrodi e l’elettrolita solido.
Gli elettroliti solidi a base di solfuro, sebbene conduttivi, reagiscono con l’umidità formando disolfuro di idrogeno tossico. Di conseguenza, c’è una forte necessità di elettroliti solidi non a base di solfuro che siano sia conduttivi che stabili all’aria per realizzare batterie agli ioni di litio allo stato solido sicure, ad alte prestazioni e a ricarica rapida.
Nello studio pubblicato sulla rivista Chemistry of Materials , il team di ricerca guidato dal professor Kenjiro Fujimoto, dal professor Akihisa Aimi dell’Università di Scienze di Tokyo e dal dottor Shuhei Yoshida della DENSO CORPORATION, ha scoperto un conduttore di Li-ion stabile e altamente conduttivo sotto forma di ossifluoruro di tipo piroclore.
Il professor Fujimoto ha commentato: “Realizzare batterie agli ioni di litio allo stato solido è stato un sogno di lunga data per molti ricercatori nel campo delle batterie. Abbiamo scoperto un elettrolita solido a base di ossido che è un componente chiave delle batterie agli ioni di litio allo stato solido, che combinano alta densità energetica e sicurezza. Oltre ad essere stabile all’aria, il materiale mostra una conduttività ionica superiore rispetto agli elettroliti solidi a base di ossido precedentemente riportati.”
Il materiale studiato, denotato come Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta), ha dimostrato una conduttività ionica totale di 3.9 mS cm⁻¹ a temperatura ambiente, superiore a quella degli elettroliti solidi a base di ossido conosciuti. Inoltre, il materiale mantiene una buona conduttività anche a temperature estreme, variando da -10 °C a 100 °C, ampliando notevolmente il campo di applicazione delle batterie agli ioni di litio.
Il meccanismo di conduzione degli ioni di litio in questo materiale implica il movimento sequenziale degli ioni Li, che cambiano legami con gli ioni F situati nei tunnel creati dagli ottaedri MO6. Questo processo consente una mobilità ionica eccezionale, rendendo il materiale adatto per applicazioni ad alta capacità come i veicoli elettrici e per l’uso in condizioni di sicurezza critica come negli aerei.
Inoltre, il materiale è altamente stabile e non si incendia se danneggiato, offrendo un vantaggio significativo in termini di sicurezza rispetto alle batterie esistenti. È anche promettente per la miniaturizzazione delle batterie, gli elettrodomestici e i dispositivi medici, supportando la ricarica rapida e l’uso a temperature elevate.
La scoperta di questo conduttore di Li-ion con elevata conducibilità e stabilità all’aria apre nuove prospettive per il futuro delle batterie allo stato solido, con potenziali applicazioni rivoluzionarie che vanno dai dispositivi mobili ai veicoli elettrici, fino alla sicurezza critica in ambienti come gli aerei.