Sulla strada verso una solidità migliore

Un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e della Florida State University ha progettato un nuovo progetto per batterie allo stato solido che dipendono meno da elementi chimici specifici, in particolare metalli critici che sono difficili da reperire a causa di problemi della catena di approvvigionamento.Il loro lavoro, riportatorecentemente pubblicato sulla rivista Science, potrebbe promuovere batterie allo stato solido che siano efficienti e convenienti.

Presentate per la loro elevata densità di energia e la sicurezza superiore, le batterie allo stato solido potrebbero rappresentare un punto di svolta per l’industria delle auto elettriche. Ma svilupparne uno che sia conveniente e anche sufficientemente conduttivo da alimentare un’auto per centinaia di miglia con una singola carica è stato a lungo un ostacolo impegnativo da superare.

“Con il nostro nuovo approccio alle batterie allo stato solido, non è necessario rinunciare alla convenienza per le prestazioni. Il nostro lavoro è il primo a risolvere questo problema progettando un elettrolita solido non con un solo metallo ma con un gruppo di metalli accessibili”, ha affermato il co-primo autore Yan Zeng, uno scienziato della Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab.

In una batteria agli ioni di litio, l'elettrolita funziona come un hub di trasferimento in cui gli ioni di litio si muovono con la carica elettrica per alimentare un dispositivo o ricaricare la batteria.

Come le altre batterie, le batterie allo stato solido immagazzinano energia e poi la rilasciano per alimentare i dispositivi. Ma invece degli elettroliti liquidi o in gel polimerico presenti nelle batterie agli ioni di litio, utilizzano un elettrolita solido.

Il governo, la ricerca e il mondo accademico hanno investito molto nella ricerca e nello sviluppo di batterie allo stato solido perché gli elettroliti liquidi progettati per molte batterie commerciali sono più soggetti a surriscaldamento, incendio e perdita di carica.

Tuttavia, molte delle batterie allo stato solido costruite finora si basano su tipi specifici di metalli costosi e non disponibili in grandi quantità. Alcuni non si trovano affatto negli Stati Uniti.

Per lo studio attuale, Zeng, insieme a Bin Ouyang, un assistente professore di chimica e biochimica presso la Florida State University, e l'autore senior Gerbrand Ceder, scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley, hanno dimostrato un nuovo tipo di elettrolita solido costituito da una miscela di vari elementi metallici. Zeng e Ouyang hanno sviluppato per primi l'idea di questo lavoro mentre terminavano la loro ricerca post-dottorato al Berkeley Lab e all'UC Berkeley sotto la supervisione di Ceder.

I nuovi materiali potrebbero portare a un elettrolita solido più conduttivo e meno dipendente da una grande quantità di un singolo elemento.

Negli esperimenti presso il Berkeley Lab e l'UC Berkeley, i ricercatori hanno dimostrato il nuovo elettrolita solido sintetizzando e testando diversi materiali agli ioni di litio e agli ioni di sodio con più metalli misti.

Hanno osservato che i nuovi materiali multimetallici hanno funzionato meglio del previsto, mostrando una conduttività ionica diversi ordini di grandezza più veloce rispetto ai materiali monometallici. La conduttività ionica è una misura della velocità con cui gli ioni di litio si muovono per condurre la carica elettrica.

I ricercatori teorizzano che mescolando insieme molti tipi diversi di metalli si creano nuovi percorsi – proprio come l’aggiunta di superstrade su un’autostrada congestionata – attraverso i quali gli ioni di litio possono muoversi rapidamente attraverso l’elettrolita. Senza questi percorsi, il movimento degli ioni di litio sarebbe lento e limitato quando viaggiano attraverso l’elettrolita da un’estremità all’altra della batteria, ha spiegato Zeng.

Per convalidare i candidati per la progettazione multi-metallo, i ricercatori hanno eseguito calcoli teorici avanzati basati su un metodo chiamato teoria del funzionale densità sui supercomputer presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Utilizzando i microscopi elettronici a trasmissione a scansione (STEM) presso la Fonderia Molecolare, i ricercatori hanno confermato che ogni elettrolita è costituito da un solo tipo di materiale, quello che gli scienziati chiamano “fase singola”, con distorsioni insolite che danno origine a nuovi percorsi di trasporto degli ioni nella sua struttura di cristallo.