L'elettrolita della batteria a stato solido costituisce un veloce conduttore agli ioni di litio - Physics World

I ricercatori dell'Università di Liverpool, nel Regno Unito, hanno sviluppato un nuovo elettrolita per batterie a stato solido che conduce gli ioni di litio così rapidamente da poter competere con gli elettroliti liquidi presenti nelle attuali batterie agli ioni di litio. Questa elevata conduttività degli ioni di litio è un prerequisito per l'accumulo di energia ricaricabile, ma è insolita nei solidi, che altrimenti sarebbero attraenti per le batterie perché sono più sicure e più veloci da caricare.

Il nuovo elettrolita ha la formula chimica Li₇Si₂S₇I e contiene ioni solfuro e ioduro ordinati disposti sia in una struttura esagonale che cubica. Questa struttura rende il materiale altamente conduttivo perché facilita il movimento degli ioni di litio in tutte e tre le dimensioni. "Si potrebbe immaginarlo come una struttura che consente agli ioni di litio di avere più 'opzioni' tra cui scegliere per il movimento, il che significa che hanno meno probabilità di rimanere bloccati", spiega Matt Rosseinsky, le Chimico di Liverpool chi ha guidato la ricerca.

Il materiale giusto con le giuste proprietà

Per identificare un materiale che faciliti questa libertà di movimento, Rosseinsky e colleghi hanno utilizzato una combinazione di intelligenza artificiale (AI) e strumenti di previsione della struttura cristallina. “La nostra idea originale era quella di creare una nuova famiglia strutturale di conduttori ionici ispirata alle complesse e diverse strutture cristalline dei materiali intermetallici, come NiZr, al fine di generare un’ampia gamma di potenziali siti tra i quali gli ioni di litio possono spostarsi”, Rosseinsky spiega. L’intelligenza artificiale e altri strumenti software hanno aiutato il team a sapere dove cercare, anche se “le decisioni finali sono sempre state prese dai ricercatori e non dal software”.

Dopo aver sintetizzato il materiale nel loro laboratorio, i ricercatori ne hanno determinato la struttura con tecniche di diffrazione e la conduttività degli ioni di litio con misurazioni NMR e di trasporto elettrico. Hanno poi dimostrato sperimentalmente l’efficienza della conduttività degli ioni di litio integrando il materiale in una cella della batteria.

Esplorare la chimica inesplorata

La ricerca di Rosseinsky si concentra sulla progettazione e scoperta di materiali per supportare la transizione verso forme di energia più sostenibili. Questo tipo di ricerca coinvolge un’ampia varietà di tecniche, inclusi metodi digitali e automatizzati, sintesi esplorativa di materiali con nuove strutture e legami e sintesi mirata di materiali con applicazioni nel mondo reale. "Il nostro studio ha riunito tutte queste direzioni", afferma.

Scoprire materiali diversi da quelli conosciuti è difficile, aggiunge Rosseinsky, anche perché qualsiasi materiale candidato deve essere realizzato sperimentalmente in laboratorio. Una volta che lui e i suoi colleghi hanno determinato la chimica sintetica di un materiale, devono misurarne le proprietà elettroniche e strutturali. Ciò richiede inevitabilmente una ricerca interdisciplinare: nel presente lavoro, Rosseinsky ha collaborato con i colleghi del Fabbrica dell’innovazione nei materiali, le Centro di ricerca Leverhulme per la progettazione di materiali funzionali, le Istituto Stephenson per le energie rinnovabili e la Albert Crewe Center e Scuola di Ingegneria così come il suo dipartimento di chimica.

Applicabile al campo più ampio della ricerca sulle batterie

Il processo sviluppato dal team, che è dettagliato in Scienze, potrebbe essere applicabile in tutto il campo della ricerca sulle batterie e oltre, afferma Rosseinsky. "La conoscenza acquisita nel nostro lavoro su come favorire il rapido movimento degli ioni nei solidi è rilevante per materiali diversi da quelli utilizzati nelle batterie agli ioni di litio ed è generalizzabile ad altre tecniche che si basano su materiali conduttori di ioni", spiega Mondo della fisica. “Ciò include materiali conduttori di protoni o ioni di ossido e celle a combustibile a stato solido o elettrolizzatori per la generazione di idrogeno, nonché materiali conduttori di sodio e magnesio in strutture di batterie alternative”.

I ricercatori dicono che Li₇Si₂S₇Probabilmente è solo il primo di molti nuovi materiali accessibili con il loro nuovo approccio. «C’è quindi molto da fare per definire quali materiali possono essere studiati e come le loro proprietà di trasporto ionico si collegano alle loro strutture e composizioni», conclude Rosseinsky.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/solid-state-battery-electrolyte-makes-a-fast-lithium-ion-conductor/