La sostituzione degli elettroliti liquidi o polimerici volatili e infiammabili ora utilizzati nelle batterie agli ioni di litio con conduttori ceramici agli ioni di litio inorganici allo stato solido potrebbe migliorare significativamente sia la sicurezza che le prestazioni delle celle. I conduttori a stato solido consentirebbero una nuova chimica del catodo e dell'anodo, prevenire la crescita di dendriti di metalli di litio e spingere la miniaturizzazione.

Sebbene i ricercatori abbiano studiato diverse famiglie strutturali di promettenti conduttori agli ioni di litio a stato solido negli ultimi decenni, il fatto che ci siano molte proprietà desiderate, inclusa la diffusione ionica veloce/superionica degli ioni Li, mobilità elettronica molto bassa, ampie finestre di stabilità elettrochimica, e un'elevata stabilità meccanica:significa che nessun materiale è emerso come un candidato ideale per lo sviluppo e quindi la ricerca continua.

La ricerca precedente è stata in gran parte guidata dall'intuizione chimica e condotta attraverso un'indagine sperimentale immediata. La sintesi di composti ionici e la misurazione della conduttività ionica sono compiti che richiedono molta manodopera e i risultati sperimentali possono essere difficili da interpretare. Metodi di calcolo, d'altra parte, sono facili da automatizzare ed eseguire in parallelo. Questo è, possono identificare in modo efficiente i materiali che meritano il fastidio e la spesa di indagini sperimentali nella ricerca di nuovi elettroliti allo stato solido.

Gli attuali approcci allo screening computazionale si basano su simulazioni della struttura elettronica per determinare il carattere isolante di un materiale e su simulazioni di dinamica molecolare per prevedere i coefficienti di diffusione degli ioni di litio. Ciò significa eseguire migliaia di calcoli e quindi l'automazione e la riproducibilità sono essenziali. I metodi di calcolo devono essere abbastanza economici da poter essere utilizzati per migliaia di materiali, ma abbastanza preciso da essere predittivo. Nel documento Screening computazionale ad alto rendimento per conduttori agli ioni di litio allo stato solido, i ricercatori presentano un nuovo quadro che soddisfa questi requisiti. Screening composti attraverso diverse fasi del filtro computazionale, sondano nuove famiglie strutturali per promettenti conduttori agli ioni di litio in modo conveniente, modo accurato.

Il nuovo approccio è stato utilizzato per lo screening di due depositi di strutture sperimentali, l'ICSD e il COD, che descrivono alcuni 1, 400 strutture cristalline uniche tra di loro. Dopo aver individuato i sistemi di isolamento elettronico, gli scienziati hanno utilizzato il loro modello flipper introdotto di recente, una struttura basata su osservazioni fisiche di come gli elettroni si comportano in un sistema ionico e che semplifica notevolmente la modellazione dei conduttori ionici, per identificare i materiali che potrebbero mostrare una diffusione ionica rapida. Circa 115 strutture identificate sono state quindi simulate con un'accurata dinamica molecolare dei primi principi per un totale di 45 nanosecondi a temperature elevate e intermedie.

L'approccio ha portato all'identificazione di cinque materiali con rapida diffusione ionica, alcuni nell'intervallo del noto conduttore superionico Li10GeP2S12, nonché 40 materiali che hanno mostrato almeno una diffusione significativa a 1000 K. Sebbene non sia possibile dire se questi ultimi materiali possono essere considerati conduttori di ioni veloci a temperature più basse a causa dei tempi brevi dello studio, sono promettenti per uno studio più dettagliato.

Gli autori si aspettano i dati, nuovi metodi e tecniche di analisi descritti nel documento per essere utili nella continua ricerca di nuovi descrittori di rapida diffusione di ioni di litio allo stato solido. Hanno reso disponibili pubblicamente le simulazioni dei primi principi effettuate nel documento in un archivio open source su MaterialsCloud