Figura 1:Polianioni tipici trovati nei solidi. (a) B 12 h 12 2- , (b) MoH 9 3- , e (c) OsH 8 2- . Attestazione:Shigeyuki Takagi
Attualmente c'è una forte domanda per sostituire gli elettroliti liquidi organici utilizzati nelle batterie ricaricabili convenzionali, con conduttori ionici allo stato solido che consentiranno alle batterie di essere più sicure e di avere una maggiore densità di energia.
A quello scopo, molti sforzi sono stati dedicati alla ricerca di materiali con conducibilità ioniche superiori. Tra i più promettenti, sono conduttori ionici allo stato solido che contengono polianioni come B 12 h 12 2- (Fig. 1a). Costituiscono una classe particolare di materiali a causa del loro comportamento di trasporto unico, che ha i polianioni che ruotano ad una temperatura elevata, promuovendo così notevolmente la conduttività cationica.
Però, un grosso inconveniente è l'elevata temperatura (=energia) necessaria per attivare la rotazione, il che significa invece basse conducibilità a temperatura ambiente.
Per affrontare quel problema, un gruppo di ricerca della Tohoku University, guidato dal Professore Associato Shigeyuki Takagi e dal Professor Shin-ichi Orimo, ha stabilito un nuovo principio per la conduzione superionica a temperatura ambiente. I suoi risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di fisica applicata .
Il gruppo di ricerca è stato in grado di ridurre la temperatura di attivazione utilizzando complessi di idruri di metalli di transizione come una nuova classe di polianioni rotanti, in cui l'idrogeno è l'unica specie di legante, legame covalente ai singoli metalli di transizione. A differenza di B 12 h 12 2- polianioni (Fig. 1a), la rotazione dei complessi di idruri di metalli di transizione richiede solo spostamenti di idrogeno altamente mobile (Figg. 1b, 1c) e quindi ci si può aspettare che avvenga con una bassa energia di attivazione.
Figura 2:panorama energetico potenziale lungo il percorso energetico minimo per il tipico riorientamento di 90° di OsH 8 2- . Gli inserti mostrano la variazione delle geometrie molecolari, dove l'originale disfenoide camuso (SD) ruota di 90 ° tramite trasformazione sequenziale in prisma trigonale biaccato (BCTP). Attestazione:Shigeyuki Takagi
Il gruppo ha quindi studiato la dinamica dei complessi di idruri di metalli di transizione in diversi idruri esistenti, e li ho trovati riorientati, come se ruotassero ripetendo piccole deformazioni (Fig. 2), anche a temperatura ambiente.
Questo tipo di movimento è noto come "pseudorotazione, " ed è raramente osservato nella materia solida. A causa dei piccoli spostamenti degli atomi di idrogeno, l'energia di attivazione della pseudorotazione è relativamente bassa, più di 40 volte inferiore a quella che sarebbe necessaria per la rotazione di B 12 h 12 2- .
Figura 3:Conducibilità degli ioni di litio in Li5MoH11 e diversi materiali noti. Attestazione:Shigeyuki Takagi
Come risultato di una conduzione cationica promossa da una regione a bassa temperatura mediante pseudorotazione, la conducibilità degli ioni di litio in Li 5 MoH 11 contenente MoH 9 3- (Fig. 1b), Per esempio, può raggiungere 79 mS cm -1 a temperatura ambiente (fig. 3). Questo è più di tre volte il record mondiale di conduttività degli ioni di litio a temperatura ambiente riportato finora. Ciò suggerisce che è possibile realizzare una batteria agli ioni di litio completamente allo stato solido con un tempo di ricarica più breve a temperatura ambiente.
Il meccanismo scoperto è abbastanza generale e sarebbe utile per abbassare la temperatura richiesta per attivare la rotazione dei polianioni. Ciò può contribuire positivamente alla ricerca di composizioni suscettibili di conduttori superionici a temperatura ambiente.
