Batterie al litio, un nuovo approccio per trovare materiali più efficienti

Un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha pubblicato sulla rivista scientifica al Energy and Environmental Science uno studio in cui viene proposto un nuovo approccio alla ricerca di materiali più performanti per la realizzazione di batterie al litio (i cosiddetti conduttori ionici). L’obiettivo è quello di accelerare lo sviluppo di batterie ad alta energia e possibilmente di altri dispositivi di storage.

Il nuovo approccio

Questa nuova modalità di ricerca, frutto di cinque anni di lavoro, si focalizza sull’analisi della modalità con cui le vibrazioni si muovono attraverso il reticolo cristallino dei conduttori di ioni di litio, correlando questi dati con la modalità con cui è inibita la migrazione ionica. In questo modo i ricercatori intendono scoprire dei materiali con una maggiore “mobilità ionica” che consentano di accorciare in modo rilevante i tempi di ricarica delle batterie. Un altro focus di questo nuovo approccio è la riduzione della reattività del materiale con gli elettrodi della batteria. Un fattore che si rivela rilevante per il suo impatto sul ciclo di vita di questi dispositivi, ma che finora non era compatibile con un’elevata mobilità ionica. La sfida dei ricercatori è proprio quella di combinare questi due elementi.

Il focus dello studio

Lo studio ha puntato, in particolare, sull’individuazione di un elettrolita solido in modo da eliminare il problema dell’infiammabilità, tipico degli elettroliti liquidi. L’operazione non era delle più semplici, ma grazie al nuovo approccio messo a punto dagli scienziati i risultati sono stati soddisfacenti. Si trattava, infatti, di riuscire a reperire materiali dotati di una conduttività agli ioni paragonabile a quella dei liquidi, ma con la stabilità dei solidi. Per ottenere questo risultato, spiega sul sito del MIT il professor Yang Shao-Horn  è stata realizzata “una combinazione di analisi teoriche e misurazioni sperimentali che ha ora dato alcune risposte”.

Analisi delle proprietà del reticolo delle strutture cristalline

“La chiave era guardare le proprietà del reticolo delle strutture cristalline di questi materiali solidi. Questo regola la modalità con cui le vibrazioni come le onde di calore e il suono, note come fononi, attraversano i materiali. Questo nuovo modo di guardare le strutture si è rivelato utile per consentire previsioni accurate sulle proprietà effettive dei materiali. Una volta che conosci la frequenza vibratoria di un dato materiale, puoi usarla per predire nuove reazioni chimiche o per spiegare risultati sperimentali”, afferma Shao-Horn. In sostanza, è stata scoperta una buona correlazione tra le proprietà del reticolo e la conduttività degli ioni di litio del materiale. La frequenza vibratoria del litio può quindi essere regolata con precisione andando a modificare la sua struttura reticolare e la sua efficienza.

Applicazioni

In sintesi i ricercatori hanno individuato quali elementi analizzare per valutare le performance dei materiali da utilizzare nella realizzazione delle batterie al litio, in modo da scegliere quello più efficiente per realizzare batterie sicure, performanti e con ciclo di vita più lungo.