Man mano che i dispositivi diventano più piccoli e più potenti, richiedono più velocemente, più piccoli, batterie più stabili. I chimici dell'Università dell'Illinois hanno sviluppato un solido superionico che potrebbe essere la base delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione.

Il professore di chimica Prashant Jain e gli studenti laureati Sarah White e Progna Banerjee hanno descritto il materiale - nanocluster ultrapiccoli di seleniuro di rame - sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Ora che stiamo assistendo al boom della nanoelettronica, abbiamo bisogno di batterie minuscole che possono essere messe su un chip, e questo non può succedere con gli elettroliti liquidi, " ha detto Jain. "Stiamo utilizzando materiali nanostrutturati per ottenere le proprietà al centro della tecnologia agli ioni di litio. Hanno molta più stabilità termica e meccanica, non ci sono problemi di perdite, e possiamo creare strati di elettroliti estremamente sottili in modo da poter miniaturizzare le batterie".

Le batterie standard agli ioni di litio e altre batterie ioniche sono riempite con un elettrolita liquido attraverso il quale si muovono gli ioni di litio. Gli ioni fluiscono in una direzione quando si utilizza la batteria, e la direzione opposta quando la batteria è carica. Però, Gli elettroliti liquidi presentano diversi inconvenienti:richiedono volume, degradare come i cicli della batteria, perdite e sono altamente infiammabili, che ha portato a esplosioni nei telefoni, laptop e altri dispositivi. Sebbene gli elettroliti solidi siano considerevolmente più stabili, gli ioni si muovono attraverso di loro molto più lentamente, rendendoli meno efficienti per le applicazioni a batteria.

L'elettrolita nanocluster di seleniuro di rame combina il meglio degli elettroliti liquidi e solidi:ha la stabilità di un solido, ma gli ioni si muovono facilmente attraverso di essa come un liquido. Il seleniuro di rame è noto per essere superionico alle alte temperature, ma i minuscoli nanocluster sono la prima dimostrazione che il materiale è superionico a temperatura ambiente.

I ricercatori hanno scoperto per caso questa proprietà superionica mentre studiavano la reattività superficiale del seleniuro di rame. Hanno notato che i nanocluster ultrapiccoli - circa 2 nanometri di diametro - sembravano molto diversi dalle nanoparticelle di seleniuro di rame più grandi in un microscopio elettronico.

"Questo è stato il nostro primo indizio che hanno strutture diverse, " ha detto Jain. "Abbiamo indagato ulteriormente, e ci siamo resi conto che questi piccoli grappoli sono in realtà semiliquidi a temperatura ambiente".

Il motivo del semiliquido, proprietà superionica è la struttura speciale dei nanocluster, ha detto Jain. Gli ioni di selenio, molto più grandi, formano un reticolo cristallino, mentre gli ioni di rame più piccoli si muovono intorno a loro come un liquido. Questa struttura cristallina è il risultato di una deformazione interna nei cluster.

"Con circa 100 atomi, questi nanocluster sono proprio all'interfaccia di molecole e nanoparticelle, " ha detto Jain. "In questo momento, la grande spinta è rendere ogni nanoparticella in un campione esattamente della stessa dimensione e forma. Si scopre con questi cluster, ogni singolo cluster è esattamente la stessa struttura. In qualche modo, a queste dimensioni, la struttura elettronica del materiale è così stabile che ogni singolo ammasso ha la stessa disposizione di atomi."

I ricercatori stanno lavorando per incorporare i nanocluster in una batteria, misurare la conduttività degli ioni di litio e confrontare le prestazioni con gli elettroliti allo stato solido e gli elettroliti liquidi esistenti.