Un nuovo approccio all'analisi e alla progettazione di nuovi conduttori ionici, un componente chiave delle batterie ricaricabili, potrebbe accelerare lo sviluppo di batterie al litio ad alta energia, ed eventualmente altri dispositivi di immagazzinamento e fornitura di energia come le celle a combustibile, dicono i ricercatori.

Il nuovo approccio si basa sulla comprensione del modo in cui le vibrazioni si muovono attraverso il reticolo cristallino dei conduttori di ioni di litio e sulla correlazione con il modo in cui inibiscono la migrazione ionica. Ciò fornisce un modo per scoprire nuovi materiali con una maggiore mobilità ionica, consentendo una rapida carica e scarica. Allo stesso tempo, il metodo può essere utilizzato per ridurre la reattività del materiale con gli elettrodi della batteria, che può ridurne la vita utile. Queste due caratteristiche, migliore mobilità ionica e bassa reattività, tendono ad escludersi a vicenda.

Il nuovo concetto è stato sviluppato da un team guidato da W.M. Keck Professore di Energia Yang Shao-Horn, studente laureato Sokseiha Muy, neolaureato John Bachman Ph.D. '17, e ricercatrice Livia Giordano, insieme ad altri nove al MIT, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e istituzioni a Tokyo e Monaco. I loro risultati sono stati riportati sulla rivista Scienze energetiche e ambientali .

Il nuovo principio di progettazione ha richiesto circa cinque anni di lavoro, dice Shao Horn. Il pensiero iniziale è iniziato con l'approccio che lei e il suo gruppo hanno usato per comprendere e controllare i catalizzatori per la scissione dell'acqua, e applicandolo alla conduzione ionica, il processo che sta alla base non solo delle batterie ricaricabili, ma anche altre tecnologie chiave come celle a combustibile e sistemi di desalinizzazione. Mentre gli elettroni, con la loro carica negativa, flusso da un polo all'altro della batteria (fornendo così alimentazione ai dispositivi), gli ioni positivi fluiscono dall'altra parte, attraverso un elettrolita, o conduttore di ioni, stretto tra quei pali, per completare il flusso.

Tipicamente, che l'elettrolita è un liquido. Un sale di litio disciolto in un liquido organico è un elettrolita comune nelle odierne batterie agli ioni di litio. Ma quella sostanza è infiammabile e a volte ha causato l'incendio di queste batterie. La ricerca è andata avanti per un materiale solido per sostituirlo, che eliminerebbe quel problema.

Esiste una varietà di promettenti conduttori di ioni solidi, ma nessuno è stabile a contatto con gli elettrodi sia positivo che negativo nelle batterie agli ioni di litio, dice Shao Horn. Perciò, la ricerca di nuovi conduttori ionici solidi che abbiano sia un'elevata conducibilità ionica che stabilità è fondamentale. Ma ordinare le diverse famiglie e composizioni strutturali per trovare quelle più promettenti è un classico problema con l'ago in un pagliaio. È qui che entra in gioco il nuovo principio di design.

L'idea è quella di trovare materiali che abbiano una conduttività ionica paragonabile a quella dei liquidi, ma con la stabilità a lungo termine dei solidi. La squadra ha chiesto, "Qual è il principio fondamentale? Quali sono i principi di progettazione a livello strutturale generale che governano le proprietà desiderate?" dice Shao Horn. Una combinazione di analisi teoriche e misurazioni sperimentali ha ora fornito alcune risposte, dicono i ricercatori.

"Ci siamo resi conto che ci sono molti materiali che potrebbero essere scoperti, ma nessuna comprensione o principio comune che ci permetta di razionalizzare il processo di scoperta, "dice Muy, l'autore principale del documento. "Abbiamo avuto un'idea che potrebbe incapsulare la nostra comprensione e prevedere quali materiali sarebbero tra i migliori".

La chiave era esaminare le proprietà reticolari delle strutture cristalline di questi materiali solidi. Questo regola il modo in cui le vibrazioni come le onde di calore e suono, conosciuti come fononi, passare attraverso i materiali. Questo nuovo modo di guardare le strutture si è rivelato consentire previsioni accurate delle effettive proprietà dei materiali. "Una volta che conosci [la frequenza vibrazionale di un dato materiale], puoi usarlo per prevedere nuova chimica o per spiegare i risultati sperimentali, " dice Shao-Horn.

I ricercatori hanno osservato una buona correlazione tra le proprietà del reticolo determinate utilizzando il modello e la conduttività del materiale del conduttore di ioni di litio. "Abbiamo fatto alcuni esperimenti per supportare sperimentalmente questa idea" e abbiamo trovato che i risultati corrispondevano bene, lei dice.

Hanno trovato, in particolare, che la frequenza vibrazionale del litio stesso può essere messa a punto modificando la sua struttura reticolare, utilizzando sostituzioni chimiche o droganti per modificare sottilmente la disposizione strutturale degli atomi.

Il nuovo concetto può ora fornire un potente strumento per lo sviluppo di nuovi, materiali più performanti che potrebbero portare a notevoli miglioramenti nella quantità di energia che potrebbe essere immagazzinata in una batteria di una data dimensione o peso, oltre a una maggiore sicurezza, dicono i ricercatori. Già, hanno usato il metodo per trovare alcuni candidati promettenti. E le tecniche potrebbero anche essere adattate per analizzare i materiali per altri processi elettrochimici come le celle a combustibile ad ossido solido, sistemi di desalinizzazione a membrana, o reazioni che generano ossigeno.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.