L'effetto ruota a pale. Al di sopra di una certa temperatura, Gli anioni SO??² iniziano a ruotare, e contemporaneamente vicino Li? zioni diventano altamente mobili. Il lavoro di Linda Nazar mostra che in alcuni elettroliti solidi, l'alterazione della composizione chimica consente la rotazione degli anioni e l'effetto ruota a pale al di sotto della temperatura ambiente. Credito:Laboratorio nazionale Argonne
Lo stoccaggio di elettricità nelle batterie è sempre più richiesto per smartphone, computer portatili, auto e rete elettrica. Le batterie a stato solido sono tra le tecnologie di prossima generazione più promettenti perché offrono un livello di sicurezza più elevato e una durata potenzialmente più lunga.
Il Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) ha fatto passi da gigante con le batterie a stato solido come successori delle odierne batterie agli ioni di litio (Li-ion). Una delle principali sfide con le batterie allo stato solido è l'aumento della diffusività degli ioni di litio nell'elettrolita allo stato solido, che è in genere più lento rispetto agli elettroliti organici liquidi ora utilizzati nelle batterie agli ioni di litio.
Linda Nazar di JCESR, uno dei principali professori dell'Università di Waterloo, e Zhizhen Zhang, il suo associato di ricerca post-dottorato, hanno pubblicato la loro ricerca sul miglioramento della mobilità degli ioni di litio nelle batterie a stato solido utilizzando l'effetto ruota a pale, che è il moto coordinato degli atomi, in un articolo intitolato:"Targeting Superionic Conductivity at Room Temperature by Turning on Anion Rotation in Fast Ion Conductors" il 3 giugno in Questione , una rivista mensile di scienza dei materiali. JCESR è un Energy Innovation Hub guidato dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). L'Università di Waterloo è uno dei 18 partner di JCESR.
batterie allo stato solido, utilizzando elettroliti solidi al posto dei soliti elettroliti organici liquidi, sono emersi come promettenti sostituti delle odierne batterie agli ioni di litio, secondo Nazar.
"Offrono il potenziale di batterie più sicure e più durature in grado di fornire una maggiore densità di energia, importante per un'ampia varietà di applicazioni di accumulo di energia elettrochimica, come veicoli, robot, droni e altro, " ha detto Nazar. "Come il componente più importante nelle batterie a stato solido, l'elettrolita solido determina in larga misura la sua sicurezza e la stabilità del ciclo."
Una reazione chimica indesiderata, chiamata reazione di fuga termica, ha portato a incendi ed esplosioni che coinvolgono le odierne batterie agli ioni di litio che continuano a bruciare fino all'esaurimento del carburante. A causa di questi pericoli, JCESR cerca di eliminare l'elettrolita organico liquido interno sostituendolo con un solido.
Pochissimi elettroliti allo stato solido hanno una conduttività ionica alta quanto gli elettroliti organici liquidi, e ricevono la parte del leone di attenzioni. JCESR sta esplorando un fenomeno promettente che accelera notevolmente la diffusione degli ioni:il movimento rotatorio di ioni negativi normalmente statici (cioè, anioni) nella struttura dell'elettrolita a stato solido che aiutano a guidare il movimento del Li + ioni positivi (cioè cationi).
"Infatti, si scopre che i "mattoni" anionici che compongono la struttura solida non sono rigidi, ma subiscono un movimento rotatorio, " ha detto Nazar. "Il nostro studio affronta questo principio per dimostrare che la dinamica degli anioni nel quadro del solido migliora Li + trasporto di cationi. La dinamica anionica può essere "attivata" anche a temperatura ambiente regolando il quadro, e la dinamica anionica è fortemente accoppiata alla diffusione dei cationi per effetto della ruota a pale. Questo è in qualche modo simile al trasporto di persone attraverso una porta girevole multi-persona".
Mentre i nuovi elettroliti solidi sono ancora in fase di sviluppo, i progressi sono incoraggianti. Una svolta rappresenterebbe un punto di svolta e aumenterebbe notevolmente la sicurezza e l'utilizzo delle batterie agli ioni di litio, secondo il direttore di JCESR George Crabtree.
"Se riesci a trovare un elettrolita a stato solido che consenta una rapida Li + movimento cationico, sarebbe un sostituto drop-in per elettroliti organici liquidi e libererebbe immediatamente le batterie dalla reazione di fuga termica, la principale causa di incendio nelle odierne batterie agli ioni di litio." ha affermato Crabtree. "Solo per i suoi vantaggi in termini di sicurezza, ci sarebbe un enorme mercato per questo nei telefoni cellulari, computer portatili, videoregistratori, auto e rete elettrica".
L'entusiasmo intellettuale per le batterie a stato solido è condiviso da JCESR. Anche altri collaboratori dell'Università del Michigan e del MIT stanno esplorando gli elettroliti solidi e l'effetto ruota a pale. Le batterie a stato solido sono uno dei progressi più promettenti e ricercati per l'industria, disse Crabtree.
"JCESR vuole comprendere le origini a livello atomico e molecolare del comportamento della batteria. Con questa conoscenza, possiamo costruire la batteria dal basso verso l'alto, atomo per atomo e molecola per molecola, dove ogni atomo e molecola svolgono un ruolo prescritto nel produrre il comportamento mirato della batteria, " Ha detto Crabtree. "L'effetto ruota a pale ne è un esempio. Questo documento è alla frontiera del comportamento degli elettroliti solidi, e vogliamo trasferire questa conoscenza al settore commerciale".
