Batteria a stato solido: scoperta una nuova classe di materiali con eccellente conducibilità degli ioni

Delle batterie allo stato solido e delle loro differenze rispetto alle più diffuse celle agli ioni di litio abbiamo parlato spesso (qui gli ultimi articoli, in ordine cronologico: link, link, link), così come delle aspettative che vi ricadono sopra.

E che potremmo riassumere così: più leggere, più performanti, più sicure, più economiche. La ricerca attorno a loro è sempre maggiore e piena di scoperte interessanti: l'ultima – per ora – arriva dalla TUM, l'Università Tecnica di Monaco che, assieme alla Research Neutron Source Heinz Maier-Leibnitz, ha scoperto una nuova classe di materiali incredibilmente conduttivi.

"Gli elettroliti allo stato solido disponibili fino ad ora, per lo più ceramiche ossidiche o composti a base di zolfo, si sono dimostrati incapaci di soddisfare completamente le aspettative", ha affermato il Prof. Thomas Fässler della TUM Professorship for Inorganic Chemistry with Focus on New Materials.

Insieme al suo team e in stretta collaborazione con TUMint·Energy Research GmbH, si è dedicato alla ricerca di elettroliti più efficienti:

"Il problema è che gli ioni di litio si diffondono solo lentamente attraverso i materiali solidi. Il nostro obiettivo era comprendere meglio il trasporto di ioni e quindi utilizzare questo conoscenza per aumentare la conducibilità."

Il risultato dei loro sforzi è una polvere leggera e quasi impalpabile, simile a cipria, che è risultata essere è un conduttore di ioni di litio con performance superiori alla media.

Non contiene zolfo, ma bensì fosforo, alluminio e una percentuale relativamente elevata di litio. Le misurazioni di laboratorio hanno dimostrato che questa classe di sostanze, precedentemente trascurata, nascondeva un alto livello di conduttività.

In un brevissimo lasso di tempo i chimici hanno creato con successo circa una dozzina di nuovi composti correlati, con la medesima conducibilità ma materiali diversi, come ad esempio silicio o stagno al posto dell'alluminio.

Questa ampia base di nuovi materiali con cui sperimentare consente di ottimizzare le loro proprietà, combinandole le une con le altre.

Capire come queste materie interagissero fra loro, è stata una sfida di non facile risoluzione, come spiegato da Fässler:

"Per rispondere alla domanda su come funzionassero i materiali, i processi che avvengono all'interno dei cristalli devono essere resi visibili, ma questo non era possibile con le normali apparecchiature di laboratorio, perché gli atomi di litio sono molto leggeri. Di conseguenza, non potevano essere localizzati esattamente utilizzando la radiazione a raggi X."

La soluzione è stata utilizzare fasci di neutroni.

"I neutroni che abbiamo a disposizione grazie al reattore di ricerca consentono di trovare anche il più leggero degli atomi. Questo perché i neutroni interagiscono con i nuclei degli atomi e non con il guscio atomico, come nel caso della radiazione a raggi X", ha spiegato il dott. Anatoliy Senyshyn, che supervisiona il diffrattometro a polvere presso l'FRM II, utilizzato per analizzare il nuovo materiale elettrolitico:

"In passato avevamo già studiato una varietà di membri della nuova e diversificata famiglia di conduttori solidi di ioni di litio. Possiamo usare la diffrazione dei neutroni per visualizzare come gli ioni usano lo spazio libero nel reticolo cristallino per muoversi".

Nella nuova classe di sostanze, questi spazi liberi sono disposti in modo tale che gli ioni possano muoversi ugualmente bene in tutte le direzioni.

Questo è il risultato dell'alto grado di simmetria riscontrato nei cristalli ed è probabilmente la causa della "conducibilità superionica del litio" che il team TUM è stato ora in grado di osservare.

Le polveri sintetizzate sono quindi candidati elettrolitici molto promettenti per le future batterie a stato solido, afferma Fässler: "La nostra ricerca di base ha il potenziale per accelerare lo sviluppo di batterie ad alte prestazioni".