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Materiali nanostrutturati per dispositivi energetici

Lo sviluppo di materiali nanostrutturati è una delle strategie più interessanti per migliorare le prestazioni elettrochimiche delle batterie agli ioni di litio (Li-ion). Negli ultimi tempi, degli ampi sforzi sono stati dedicati allo studio dei benefici dei materiali nanostrutturati conduttori al litio.
Materiali nanostrutturati per dispositivi energetici
Per ottenere delle densità energetiche superiori a quelle delle batterie Li-ion all’avanguardia sono state proposte varie nuove configurazioni della batteria. Queste nuove batterie hanno diverse caratteristiche in comune. Per massimizzare la densità energetica viene usato come anodo del litio metallico puro. Inoltre, come catolita sono state adottate delle soluzioni acquose per via del loro basso costo, alta affidabilità e trasporto ionico super veloce.

L’impiego di elettroliti solidi è limitato poiché essi raggiungono delle conduttività utili dal punto di vista pratico solo a temperature superiori ai 50 °C. Tuttavia, queste sono più basse di un ordine di grandezza rispetto a quelle degli elettroliti liquidi. Per porre rimedio a questa situazione, gli scienziati hanno concentrato la loro attenzione sui materiali nanostrutturati conduttori al litio.

Nell’ambito del progetto NANOLICOM (Nanostructured lithium conducting materials), finanziato dall’UE, chimici, fisici e ingegneri dei materiali hanno unito i loro sforzi per studiare gli effetti delle dimensioni del grano e della cristallinità sul trasporto ionico in questi materiali. Questo obbiettivo è stato raggiunto attraverso un programma di scambio tra l’UE e l’Ucraina.

Il primo passo è stato quello di esplorare differenti percorsi di sintesi per la preparazione di nanopolveri con dimensioni del grano comprese tra 10 a 500 nm. Vari processi di chimica dolce sono stati presi in considerazione, incluso il metodo complesso della polimerizzazione in situ. Attraverso numerosi esperimenti, gli scienziati di NANOLICOM hanno determinato i migliori parametri di sintesi che portano a nanoparticelle ben cristallizzate e pure.

Inoltre, sono stati sviluppati dei film sottili di nanomateriali conduttori al litio usando tecniche di rivestimento per rotazione e polverizzazione catodica con magnetron a radiofrequenza. Per preparare delle ceramiche dense conservando allo stesso tempo la nanostruttura delle polveri, il team ha usato delle tecniche di sinterizzazione come quella a bassa temperatura, quella sotto campo elettrico e quella a scintille e plasma (SPS).

In particolare, la SPS come metodo di densificazione dei materiali ceramici riduce la loro conduttività in confronto ad altri metodi a causa di un aumento nel volume del bordo di grano. Lo studio dei principali fattori che influenzano le conduttività di materiali ceramici o film sottili di perovskiti, di materiali di tipo Nasicon e ossinitruri di litio e fosforo ha portato a molti risultati interessanti.

La ricerca portata avanti dai partner di NANOLICOM è stata descritta in articoli pubblicati e in presentazioni orali a conferenze internazionali. I risultati forniscono preziose conoscenze relative al rapporto tra strutture ioniche solide e proprietà fisiche, che faciliteranno la progettazione razionale di dispositivi per l’accumulo e la conversione dell’energia elettrochimica.

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Keywords

Materiali nanostrutturati, ioni di litio, Li-ion, materiali conduttori, densità energetiche