Alcuni materiali nanocompositi unici nel loro genere sono la chiave per batterie destinate ai veicoli elettrici più sicure
Una tecnologia per batterie affidabile è fondamentale per un’adozione dei veicoli elettrici nel mercato di massa. Tuttavia, sono necessarie nuove classi di materiali elettrolitici solidi per eliminare le preoccupazioni relative alla sicurezza e guidare la prossima generazione di batterie ricaricabili.
Da elettroliti liquidi a elettroliti allo stato solido
Nelle batterie agli ioni di litio convenzionali, una soluzione elettrolitica consente agli ioni di litio di fare avanti e indietro tra l’anodo e il catodo durante le fasi di utilizzo e ricarica della batteria. Gli ioni sono generalmente spostati da un elettrolita liquido. Gli sforzi profusi per lo sviluppo di elettroliti liquidi naufragano ripetutamente a causa delle preoccupazioni relative alla salute. Qualora il carbonato organico, ampiamente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio, fuoriuscisse dal contenitore della batteria, potrebbe condurre facilmente a un’esplosione o a un incendio. Queste preoccupazioni relative alla salute hanno rivolto l’attenzione del settore verso le batterie allo stato solido, che possono essere prodotte attraverso materiali di vetroceramica o polimeri organici. «Le vetroceramiche inorganiche hanno dimostrato un’elevata conduttività ionica, ma dispongono di interfacce rigide e sono fragili», osserva David Mecerreyes, coordinatore del progetto eJUMP, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie. «Al contrario, i polimeri organici possiedono proprietà meccaniche auspicabili, ma la loro conduttività ionica delude le aspettative.»
Strutture innovative che combinano il meglio di entrambi i mondi
Recentemente, alcuni ricercatori dell’Institute of Frontier Materials presso l’Università di Deakin, in Australia, hanno proposto una nuova classe di elettroliti organici allo stato solido come un candidato privilegiato per batterie allo stato solido più affidabili. «I cristalli di plastica ionica organica sono materiali cristallini composti da piccoli ioni organici con movimenti molecolari a corto raggio. Questa struttura conferisce ai cristalli di plastica ionica organica numerose proprietà uniche quali transizioni di fase da solido a solido multiple e proprietà meccaniche plastiche, in grado di migliorare notevolmente il contatto interfacciale con gli elettrodi e, soprattutto, facilitare la diffusione degli ioni», spiega Mecerreyes. Il loro lavoro ha inoltre provato che questo tipo di elettroliti dimostra proprietà meccaniche e di trasporto degli ioni migliori assieme a riempitivi polimerici. La ricerca sui meccanismi alla base di questi elettroliti compositi è ancora in una fase molto precoce. «Fino ad ora, la ricerca si è concentrata sulle strutture nanocomposite composte da liquidi ionici, nanoparticelle inorganiche e polimeri. Siamo stati i primi a combinare i cristalli di plastica ionica a un innovativo tipo di nanoparticelle polimeriche per elettroliti allo stato solido», osserva Mecerreyes. Il team ha sintetizzato nanoparticelle polimeriche funzionalizzate di dimensioni comprese tra i 30 e i 500 nm e con chimiche di superficie controllate per rafforzare i cristalli di plastica ionica organica. Dopo la sintesi delle nanoparticelle, i ricercatori si sono concentrati sulle proprietà morfologiche e di trasporto degli ioni.
La rilevanza delle nanoparticelle polimeriche
L’uso di riempitivi di nanoparticelle polimeriche rappresenta un cambio di paradigma negli elettroliti compositi allo stato solido. Gran parte dei riempitivi di nanoparticelle si basano generalmente su materiali inorganici, quali l’alluminio o il silice. La modifica superficiale delle nanoparticelle inorganiche costituisce un processo complesso e multifase. «L’approccio di eJUMP semplifica notevolmente il processo di sitesi delle nanoparticelle; la polimerizzazione in mezzi dispersi è un processo a un’unica fase e consente di controllare non solo le dimensioni della nanoparticella, ma anche i gruppi funzionali attaccati alla sua superficie. Inoltre, la bassa densità dei polimeri consente una migliore dispersione del riempitivo all’interno della matrice dei cristalli di plastica ionica organica», spiega Mecerreyes. I recenti sviluppi nel campo degli elettroliti polimerici solidi sono riportati qui. Un altro studio che evidenzia in che modo le diverse superfici delle nanoparticelle condizionano il comportamento termico e le proprietà di trasporto degli ioni dei cristalli di plastica ionica organica può essere consultato qui.
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