Nuovi materiali possono migliorare considerevolmente la capacità di stoccaggio e la stabilità del ciclo delle batterie ricaricabili. Tra questi materiali ci sono gli ossidi ad alta entropia (HEO), la cui stabilità risulta da una distribuzione disordinata degli elementi. Con HEO, le proprietà elettrochimiche possono essere personalizzate, come è stato scoperto dagli scienziati del team di esperti di nanotecnologie Horst Hahn al Karlsruhe Institute of Technology (KIT). I ricercatori riportano i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

L'approvvigionamento energetico sostenibile richiede sistemi di stoccaggio affidabili. La domanda di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica ricaricabili per applicazioni fisse e mobili è aumentata rapidamente negli ultimi anni e si prevede che continuerà a crescere in futuro. Tra le proprietà più importanti delle batterie ci sono la loro capacità di immagazzinamento e la loro stabilità al ciclo, ovvero il numero di possibili processi di carica e scarica senza alcuna perdita di capacità. Grazie alla sua elevata stabilità, si prevede che una classe di materiali completamente nuova chiamata ossidi ad alta entropia (HEO) porterà a importanti miglioramenti. Inoltre, le proprietà elettrochimiche di HEO possono essere personalizzate variando la loro composizione. Per la prima volta, scienziati dell'Institute of Nanotechnology (INT) di KIT e della Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF), dell'Helmholtz Institute Ulm (HIU) istituito congiuntamente da KIT e Ulm University, e dell'Indian Institute of Technology di Madras hanno ora dimostrato l'idoneità di HEO come materiali di conversione per lo stoccaggio reversibile del litio. Le batterie di conversione basate sulla conversione di materiale elettrochimico consentono un aumento della quantità di energia immagazzinata, mentre il peso della batteria è ridotto. Gli scienziati hanno utilizzato HEO per produrre elettrodi basati sulla conversione che sono sopravvissuti a più di 500 cicli di carica senza alcun degrado significativo della capacità.

Il gruppo di materiali nanostrutturati del professor Horst Hahn, Direttore dell'INT di KIT, è tra i pionieri della ricerca sugli ossidi ad alta entropia. Gli scienziati hanno pubblicato molte delle pubblicazioni ancora rare su questi nuovi materiali noti solo da pochi anni. Le proprietà speciali di HEO derivano dalla stabilizzazione dell'entropia. Ciò le rende paragonabili alle già più note leghe ad alta entropia. Gli HEO stabilizzati entropia sono ossidi complessi contenenti cinque o più cationi metallici diversi della stessa quantità e che presentano una struttura cristallina monofase. Sebbene le strutture cristalline tipiche degli elementi differiscano notevolmente, formano un reticolo articolare e si distribuiscono alle posizioni nel cristallo senza alcun ordine apparente. Questo disturbo, indicato anche come alta entropia, stabilizza il materiale, probabilmente perché ostacola la migrazione dei difetti nel reticolo.

"Grazie all'elevata stabilità, le interazioni dei diversi cationi metallici, e l'elevato numero di combinazioni di elementi possibili, HEO apre opportunità inaspettate, " afferma il professor Horst Hahn. Lo studio presentato in Comunicazioni sulla natura concentrato su HEO a base di metalli di transizione (TM-HEO), che sono caratterizzati da un'elevata conduttività degli ioni di litio. Mediante microscopia elettronica a trasmissione (TEM), i ricercatori hanno studiato la struttura di TM-HEO e il suo impatto sulla reazione di conversione. Hanno scoperto che la rimozione di un elemento riduce solo l'entropia e influisce negativamente sulla stabilità del ciclo. Ogni singolo elemento influenza il comportamento elettrochimico del TM-HEO, tale che i materiali possono essere adattati a varie applicazioni. Il risultato è un approccio modulare allo sviluppo sistematico di materiali per elettrodi. "Il nostro studio ha dimostrato che HEO stabilizzato entropia differisce notevolmente dal materiale di conversione classico, " dice Horst Hahn. "Per sfruttare appieno il loro potenziale per le applicazioni di accumulo di energia, però, sono necessarie ulteriori ricerche».