Litio: scoperto innovativo materiale per le batterie solide senza zolfo

Gli scienziati dell’Università di Scienze di Tokyo hanno scoperto un materiale basato sugli di ioni di litio stabile e altamente conduttivo sotto forma di ossifluoruro di tipo pirocloro che si candida ad essere il prossimo elettrodo solido privo di zolfo che permetterà la realizzazione di batterie allo stato solido. Tra l’altro questi nuovi elettrodi non hanno il problema di mancato funzionamento nei climi freddi.

Le batterie agli ioni di litio completamente allo stato solido offrono una maggiore sicurezza e densità energetica rispetto alle controparti con elettrolita liquido, ma devono affrontare sfide come la minore conduttività e il contatto insufficiente fra gli elettrodi.

Questo tipo di elettrolita solido non solforato altamente conduttivo apre invece la strada alla produzione di batterie allo stato solido efficienti e durevoli. Lo studio è stato pubblicato su Chemistry of Materials con l’assistenza finanziaria della Denso Corporation.

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) completamente solide con elettroliti solidi non sono infiammabili e hanno una densità energetica e un numero di trasferimenti più elevati rispetto a quelle con elettroliti liquidi. Si prevede che prenderanno una parte del mercato delle batterie tradizionali agli ioni di litio con elettrolita liquido, come i veicoli elettrici.

Attualmente nelle batterie al litio allo stato solido sono stati utilizzati materiali a base di solfuro siano conduttivi, reagiscono con l’umidità per formare il disolfuro di idrogeno tossico. Pertanto, c’è bisogno di elettroliti solidi non solforati che siano conduttivi e stabili nell’aria, per realizzare batterie agli ioni di litio allo stato solido sicure, ad alte prestazioni e a carica rapida.

L’ossifluoruro di tipo pirocloro studiato in questo lavoro può essere indicato con una formula non proprio semplice Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). È stato sottoposto ad analisi strutturale e compositiva con diverse tecniche, tra cui la diffrazione a raggi X, l’analisi Rietveld, la spettrometria di emissione ottica al plasma accoppiato induttivamente e la diffrazione elettronica ad area selezionata. In particolare, è stato sviluppato Li1.25La0.58Nb2O6F, che ha dimostrato una conduttività ionica di massa di 7,0 mS cm?¹ e una conduttività ionica totale di 3,9 mS cm?¹ a temperatura ambiente.

È stata riscontrata una conducibilità superiore a quella degli ioni di litio degli elettroliti solidi di ossido conosciuti. L’energia di attivazione della conduzione ionica di questo materiale è estremamente bassa e la conducibilità ionica di questo materiale a bassa temperatura è una delle più alte tra gli elettroliti solidi conosciuti, compresi i materiali a base di solfuro. Per precisione,  anche a -10° C, il nuovo materiale ha la stessa conducibilità degli elettroliti solidi convenzionali a base di ossido a temperatura ambiente. Inoltre, dal momento che è stata verificata anche la conducibilità oltre i 100° C, l’intervallo operativo di questo elettrolita solido va da -10° C a 100° C. Le batterie agli ioni di litio convenzionali non possono essere utilizzate a temperature inferiori allo zero. Pertanto, le condizioni operative delle batterie agli ioni di litio per i telefoni cellulari comunemente utilizzati sono da 0° C a 45° C.

È stato studiato il meccanismo di conduzione degli ioni di litio in questo materiale. Il percorso di conduzione della struttura di tipo pirocloro copre gli ioni F situati nelle gallerie create dagli ottaedri MO6. Il meccanismo di conduzione è il movimento sequenziale degli ioni Li mentre cambiano i legami con gli ioni F. Gli ioni Li si muovono verso la posizione Li più vicina, passando sempre attraverso posizioni metastabili. Il La3+ immobile legato allo ione F inibisce la conduzione degli ioni Li, bloccando il percorso di conduzione e annullando le posizioni metastabili circostanti.

A differenza delle batterie secondarie agli ioni di litio esistenti, le batterie allo stato solido basate sull’ossido non presentano il rischio di perdite di elettrolito a causa di danni, né il rischio di generazione di gas tossici come nel caso delle batterie basate sui solfuri. Pertanto, si prevede che questa nuova innovazione guiderà la ricerca futura.

In particolare, il nuovo materiale è altamente stabile e non si incendia se danneggiato. È adatto agli aerei e ad altri luoghi in cui la sicurezza è fondamentale. È adatto anche per applicazioni ad alta capacità, come i veicoli elettrici, perché può essere utilizzato a temperature elevate e supporta una ricarica rapida. Inoltre, è anche un materiale promettente per la miniaturizzazione di batterie, elettrodomestici e dispositivi medici.

Secondo il Prof. Fujimoto, “Realizzare batterie secondarie agli ioni di litio completamente allo stato solido è stato a lungo il sogno di molti ricercatori di batterie. Abbiamo scoperto un elettrolita solido di ossido che è un componente chiave delle batterie agli ioni di litio interamente allo stato solido, che hanno un’elevata densità energetica e sicurezza. Oltre ad essere stabile in aria, il materiale presenta una conducibilità ionica più elevata rispetto agli elettroliti solidi di ossido riportati in precedenza”.

“Il materiale appena scoperto è sicuro e presenta una conducibilità ionica più elevata rispetto agli elettroliti solidi a base di ossido precedentemente riportati. L’applicazione di questo materiale è promettente per lo sviluppo di batterie rivoluzionarie che possono funzionare in un’ampia gamma di temperature, da basse ad alte”, prevede il Prof. Fujimoto. “Riteniamo che le prestazioni richieste per l’applicazione di elettroliti solidi per i veicoli elettrici siano soddisfatte”.