Molti dispositivi mobili sono alimentati da batterie agli ioni di litio, che potrebbe essere più piccolo, accendino, più sicuro ed efficiente se gli elettroliti liquidi in essi contenuti fossero sostituiti da solidi. Un candidato promettente per un elettrolita allo stato solido è una nuova classe di materiali a base di composti di litio, presentato da fisici svizzeri e polacchi.

Le batterie agli ioni di litio disponibili in commercio sono costituite da due elettrodi collegati da un elettrolita liquido. Questo elettrolita rende difficile per gli ingegneri ridurre le dimensioni e il peso della batteria. Inoltre, sono soggetti a perdite; il litio negli elettrodi esposti viene quindi a contatto con l'ossigeno dell'aria e si autoaccende. Questo problema ha causato la messa a terra completa dei voli Dreamliner, un esempio spettacolare dei problemi causati dall'uso delle moderne batterie agli ioni di litio.

I laboratori sono alla ricerca da anni di materiali solidi in grado di sostituire gli elettroliti liquidi. I candidati più popolari includono composti in cui gli ioni di litio sono circondati da ioni di zolfo o ossigeno. Però, nel diario Materiali energetici avanzati , un team di scienziati svizzero-polacchi ha presentato una nuova classe di composti ionici in cui i portatori di carica sono ioni di litio che si muovono in un ambiente di ioni di ammina (NH2) e tetraidroborato (BH4). La parte sperimentale del progetto di ricerca è stata svolta presso l'Empa, i Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali a Dübendorf, e presso l'Università di Ginevra (UG), guidato dal Prof. Zbigniew Lodziana dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia.

"Avevamo a che fare con litio ammide-boroidruro, una sostanza precedentemente considerata un conduttore ionico inadeguato. Questo composto viene ottenuto macinando due componenti in un rapporto di uno a tre. Ad oggi, nessuno ha mai testato cosa succede alla conducibilità ionica quando si modificano le proporzioni tra questi costituenti. Siamo stati i primi a farlo, e si è scoperto che riducendo il numero di gruppi NH2 a un certo limite, potremmo migliorare significativamente la conduttività. Aumenta così tanto che diventa paragonabile alla conducibilità degli elettroliti liquidi, " dice il Prof. Lodziana.

Questo enorme aumento della conduttività ionica apre un nuovo, direzione inesplorata nella ricerca di un elettrolita allo stato solido. In precedenza, l'attenzione si è concentrata quasi esclusivamente sui cambiamenti nella composizione della sostanza chimica. Ora è diventato evidente che nella fase di produzione del composto, a le proporzioni degli ingredienti utilizzati per produrli sono fondamentali.

"Il nostro litio ammide-boroidruro è un rappresentante di una promettente nuova classe di materiali elettrolitici allo stato solido. Tuttavia, ci vorrà del tempo prima che le batterie costruite su tali composti entrino in uso. Per esempio, non dovrebbero esserci reazioni chimiche tra l'elettrolita e gli elettrodi che portano alla loro degradazione. Questo problema è ancora in attesa di una soluzione ottimale, " dice il Prof. Lodziana.

Le prospettive della ricerca sono promettenti. Gli scienziati non si sono limitati semplicemente a caratterizzare le proprietà fisico-chimiche del nuovo materiale. Il composto è stato utilizzato come elettrolita in un tipico Li ₄ Ti ₅ oh ₁₂ semicella. La semicella si è comportata bene nei test di esaurimento e ricarica, risultando stabile oltre 400 cicli. I ricercatori hanno compiuto passi promettenti verso la risoluzione di un altro importante problema. Il litio ammide-boroidruro descritto nella pubblicazione ha mostrato un'eccellente conduttività ionica solo a circa 40 °C. Negli esperimenti più recenti, questo è già stato abbassato al di sotto della temperatura ambiente.

Teoricamente, però, il nuovo materiale rimane una sfida. In precedenza, i ricercatori hanno costruito modelli per sostanze in cui gli ioni di litio si muovono in un ambiente atomico. Nel nuovo materiale, gli ioni si muovono tra molecole leggere che regolano il loro orientamento per facilitare il movimento del litio.

"Nel modello proposto, l'ottima conducibilità ionica è conseguenza della specifica costruzione del reticolo cristallino del materiale testato. Questa rete infatti è costituita da due sub-reticoli. Si scopre che gli ioni di litio sono presenti qui nelle celle elementari di un solo sottoreticolo. Però, la barriera alla diffusione tra i sub-reticoli è bassa. In condizioni appropriate, gli ioni viaggiano così al secondo, sottoreticolo vuoto, dove possono muoversi abbastanza liberamente, " spiega il Prof. Lodziana.

Questo spiega solo alcune delle caratteristiche osservate del nuovo materiale. I meccanismi responsabili della sua elevata conducibilità sono sicuramente più complessi. Ulteriori studi dovrebbero accelerare significativamente la ricerca di composti ottimali per un elettrolita allo stato solido e di conseguenza abbreviare il processo di commercializzazione di nuove fonti di energia che hanno maggiori probabilità di rivoluzionare l'elettronica portatile.