L'aggiunta di atomi di carbonio a un nuovo tipo di batteria agli ioni di litio solido potrebbe farla caricare più velocemente e in modo più sicuro.

Le batterie agli ioni di litio a stato solido possono fornire una sicurezza notevolmente migliorata, tensione e densità di energia rispetto alle batterie odierne, che utilizzano componenti liquidi. Potrebbero essere utilizzati nei veicoli elettrici, così come nell'elettronica di potenza. Però, sono ancora in una fase iniziale di sviluppo, con pochissimi commercializzati fino ad oggi.

In una nuova ricerca di una collaborazione internazionale guidata congiuntamente dallo scienziato del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Brandon Wood e Mirjana Dimitrievska del National Institute of Standards and Technology (NIST), il team ha scoperto perché la sostituzione di un atomo di boro con un atomo di carbonio in un materiale elettrolitico della batteria chiave ha fatto sì che gli ioni di litio si muovessero ancora più velocemente, che è attraente per una batteria a stato solido più robusta. Questo è un esempio di ciò che gli scienziati chiamano "frustrazione":la dinamica del sistema fa sì che il litio non sia mai soddisfatto della sua posizione attuale, quindi è sempre in movimento. La ricerca appare nell'edizione del 20 febbraio di Materiali energetici avanzati .

"Poiché la funzionalità chiave degli elettroliti è quella di trasportare ioni, è una bella scoperta, " ha detto il legno.

Uno degli ostacoli principali è il piccolo numero di materiali elettrolitici solidi candidati in grado di trasferire gli ioni di litio in modo efficiente tra i terminali della batteria. In una normale batteria, questo è fatto facilmente attraverso un liquido, ma i materiali solidi che possono farlo sono estremamente rari. Alcuni dei materiali disponibili hanno problemi di stabilità. Altri sono difficili da elaborare. La maggior parte dei candidati rimanenti è semplicemente troppo lenta nel muovere gli ioni di litio, il che significa che devono essere molto sottili per essere efficaci.

Il nuovo lavoro si concentra su un materiale all'interno di una nuova classe di materiali, closo-borati, che è stato recentemente scoperto per avere una rapida mobilità agli ioni di litio. Secondo Legno, i closoborati sono elettrochimicamente stabili e possono essere facilmente lavorati, offrendo alcuni vantaggi significativi rispetto alla concorrenza. Sebbene vi siano ancora alcune barriere rimanenti alla commercializzazione:maggiore stabilità termica, la resistenza meccanica e la ciclabilità sono l'obiettivo attuale:questa nuova classe è un potenziale sostituto attraente per gli attuali elettroliti solidi.

"Un altro vantaggio chiave per i closo-borati è la loro accordabilità intrinseca, " ha detto il ricercatore post-dottorato LLNL Patrick Shea, che ha sviluppato alcuni degli strumenti di analisi utilizzati nello studio. "Possono essere facilmente legati, oltre che strutturalmente e chimicamente modificati. In molti casi, questi cambiamenti possono alterare drasticamente il loro comportamento".

I collaboratori dei Sandia National Laboratories e del NIST hanno lavorato alla modifica di questi materiali per renderli ancora migliori. Hanno scoperto che la sostituzione di un atomo di boro con un atomo di carbonio fa muovere gli atomi di litio ancora più velocemente.

Comprendere come e perché ciò accade richiede una modellazione approfondita dei meccanismi di trasporto degli ioni di litio attraverso la matrice solida, così come una caratterizzazione sperimentale dettagliata per accompagnare e validare i modelli. Il team ha utilizzato una tecnica di modellazione meccanica quantistica avanzata, la dinamica molecolare ab initio, e l'ha combinata con una tecnica sperimentale ad alta fedeltà, diffusione quasi elastica di neutroni.

Il materiale elettrolitico è un sale composto da cationi di litio caricati positivamente e anioni closo-borato caricati negativamente. La ricerca ha mostrato che gli anioni closo-borato si riorientano rapidamente, ruotando nella matrice solida mentre si alternano tra direzioni preferite specifiche. L'aggiunta di carbonio all'anione closo-borato crea quello che è noto come dipolo, che respinge il litio nelle vicinanze dell'atomo di carbonio. Mentre l'anione gira, l'atomo di carbonio è rivolto in direzioni diverse, costringendo ogni volta il litio ad allontanarsi in un sito vicino nella matrice solida. Perché il sale è pieno di anioni rotanti, questo si traduce in un movimento molto rapido del litio.

"Ora che comprendiamo le conseguenze benefiche, possiamo iniziare a pensare a come introdurre effetti simili mediante modificazione chimica dell'anione stesso, " ha detto Wood. "Possiamo anche iniziare a pensare a come struttura e chimica sono interconnesse, il che potrebbe fornire indizi su come le modifiche strutturali del materiale potrebbero generare ulteriori miglioramenti".

Joel Varley, uno scienziato dei materiali LLNL e coautore del documento, ha aggiunto:"È un primo passo verso lo sviluppo di una nuova classe di elettroliti solidi robusti con mobilità agli ioni di litio ultraelevata, offrendo un'alternativa interessante per gli attuali progetti di batterie a stato solido. Il principio generale di progettazione può anche essere utile per ottimizzare altri materiali elettrolitici solidi in cui le rotazioni molecolari giocano un ruolo".