Sopra sono mostrate le illustrazioni concettuali dei fenomeni di trasporto ionico nei conduttori ionici cristallini porosi:approcci precedenti (in alto) e questo studio (in basso). Credito:UNIST
Uno studio recente, affiliato con l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) della Corea del Sud ha dimostrato nuove soluzioni prive di solventi, COF a conduzione singola agli ioni di litio.
Una batteria a stato solido è considerata una batteria sicura che non esplode. È una forma di rafforzamento della sicurezza utilizzando un elettrolita solido invece di un elettrolita liquido che aderisce al fuoco. Come tale, le prestazioni degli elettroliti solidi sono importanti, e sono stati recentemente sviluppati nuovi materiali concettuali che miglioreranno notevolmente le sue prestazioni.
Questa svolta è stata guidata congiuntamente dal professor Sang-Young Lee e dal professor Sang Kyu Kwak della Scuola di ingegneria energetica e chimica dell'UNIST. In questo studio, il team ha dimostrato un nuovo concetto, vale a dire "conduttore di ioni solidi" che sposta selettivamente gli ioni di litio attraverso canali ionici, come i tratti delle autostrade. Poiché sono solidi e in grado di trasmettere efficacemente solo ioni di litio, si prevede di essere utilizzato come materiale di partenza della batteria di prossima generazione, come la batteria ad alta tensione o la batteria al litio metallico.
Le attuali batterie agli ioni di litio utilizzano elettroliti liquidi altamente infiammabili, quindi sono vulnerabili a incendi o esplosioni. In alternativa, un elettrolita solido è in fase di sviluppo, ma la conduzione ionica è inferiore a quella dell'elettrolita liquido. In particolare, molti degli elettroliti solidi riportati fino ad oggi hanno limitazioni nel migliorare le prestazioni della batteria perché gli ioni migrano lungo un percorso tortuoso e complicato.
La cella simmetrica ha mostrato un comportamento di placcatura/stripping di Li stabile e affidabile per oltre 320 ore senza un aumento apprezzabile e una fluttuazione irreversibile di sovratensione. Credito:UNIST
Il professor Lee ha compiuto diversi sforzi per risolvere questo problema, utilizzando materiali cristallini porosi, come quadri organici covalenti (COF), come conduttori di ioni. All'interno di questo materiale, ci sono passaggi regolarmente organizzati, che sono progettati per funzionare solo con ioni di litio, migliorando drasticamente le prestazioni di conduzione ionica.
"Il conduttore ionico di nuova concezione è una fase solida che non utilizza affatto il liquido, " afferma il Dr. Kihun Jeong della School of Energy and Chemical Engineering dell'UNIST, il primo autore di questo studio. "Questo realizza anche il comportamento di conduzione di ioni di litio a stato solido".
Il comportamento della singola conduzione agli ioni di litio si riferisce a una situazione ideale, in cui solo gli ioni di litio vengono trasmessi attraverso un elettrolita. Poiché gli ioni di litio sono ioni positivi, è comune spostare insieme gli ioni negativi. Tale migrazione non necessaria dell'anione provoca una reazione laterale indesiderata sulla superficie dell'elettrodo, riducendo così le prestazioni della batteria.
In questo studio, le strutture organiche dello scheletro sono state sintetizzate utilizzando monomeri anionici accoppiati con ioni di litio. Gli anioni sono fissati come parte del percorso attraverso il quale passano gli ioni di litio. Di conseguenza, è stato realizzato un flusso ideale che si è spostato al passaggio della struttura a soli ioni di litio. I ricercatori hanno identificato teoricamente l'uso della chimica computazionale in cui gli ioni di litio migrano lungo gli atomi di ossigeno che sono regolarmente allineati nei passaggi del conduttore ionico.
"Questo studio presenta una nuova direzione per la progettazione di conduttori ionici solidi, ponendo le basi per lo sviluppo di 'elettroliti solidi ad alte prestazioni, ' che sono essenziali per la commercializzazione delle batterie di nuova generazione, comprese tutte le batterie allo stato solido, " dice il professor Lee. "In particolare, gli ioni di litio possono essere erogati in modo selettivo ed efficace eliminando completamente il solvente organico che potrebbe causare un'esplosione".
Aggiunge, "Le proprietà di questi conduttori ionici non sono adatte solo come elettrolita per tutte le celle a stato solido, ma possono essere applicati anche ad elettrodi in metallo di litio altamente reattivi, che può essere utilizzato per batterie al litio metallico, che stanno attirando l'attenzione come batterie ad alta energia."
