Conduttività ionica
La conduttività ionica (σ) è la conduttività elettrica dovuta al movimento della carica ionica. Alti valori di conduttività ionica sono solitamente correlati agli elettroliti liquidi. Tuttavia un alto valore di conduttività ionica è stato trovato anche in elettroliti solidi come, ad esempio, AgI e RbAg4I5 in cui la conduttività dello ione argento può raggiungere 3 · 10 −1 S/cm a temperatura ambiente, che è paragonabile a quella degli elettroliti liquidi.
La conduttività ionica è il parametro più importante di un elettrolita che descrive la velocità di trasporto ionico nell’elettrolita durante la fase di carica e scarica di una batteria. La capacità dei materiali di condurre corrente elettrica tramite il trasporto di ioni è fondamentale nelle batterie, celle a combustibile, sensori ed è importante nella degradazione dei materiali.
La conduttività ionica, come la conduttività elettronica è data dal prodotto di tre termini: σ = qnb dove q è la carica del portatore, n è la concentrazione espressa come numero di particelle per unità di volume e b è la mobilità che corrisponde alla velocità media di un portatore dovuta a un campo elettrico applicato di intensità unitaria.
Elettroliti solidi e conduttività ionica
Gli elettroliti solidi detti anche conduttori superionici sono materiali con elevata conduttività ionica, sia di cationi che di anioni e conduttività elettronica trascurabile. Gli elettroliti solidi offrono alcuni vantaggi rispetto ai liquidi ionici quale una maggiore sicurezza, abbinata a una potenza e densità di energia.
Sono disponibili elettroliti solidi che a temperatura ambiente presentano una conduttività elettrica paragonabile a quella degli elettroliti liquidi, valori di conduttività elettrica che possono essere ottenuti in un’ampia gamma di temperature e condizioni ambientali ed inoltre si possono trovare un’ampia varietà di ioni come specie conduttrici nei solidi.
Gli elettroliti solidi inorganici con elevata conduttività ionica, un ampio intervallo di stabilità elettrochimica e compatibilità con gli anodi metallici al litio sono diventati emergenti per le batterie a ioni litio allo stato solido apportando miglioramenti in termini di sicurezza, buona densità energetica e durata prolungata.
Introdotte nel 1991 dal lavoro rivoluzionario di John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino che vinsero il Premio Nobel per la Chimica nel 2019, le batterie a ioni litio hanno a lungo dominato i mercati dell’elettronica portatile come gli smartphone, delle automobili elettriche e dei veicoli elettrici ibridi.
Tuttavia, alcuni recenti incidenti di esplosione dovuti a fenomeni di thermal runway di batterie al litio e scarsa sicurezza hanno indotto a un cambiamento nella ricerca per sviluppare nuove strategie per la fabbricazione di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica più sicuri sebbene gli elettroliti liquidi presentino un’elevata conduttività ionica di 10 −3– 10 −2 S/cm
Gli elettroliti solidi inorganici hanno elevati livelli di conduttività ionica che consente elevata velocità di carica e scarica, maggiore rispetto agli elettroliti solidi polimerici organici e permettono il movimento rapido ed efficace degli ioni all’interno del materiale.
Liquidi ionici
L’efficienza di produzione delle batterie allo stato solido è bassa e non hanno ancora raggiunto il livello per la produzione di massa. Ciò si traduce in elevati costi di produzione delle batterie e in una mancanza di sistemi di materiali elettrolitici efficaci. Come materiale di base delle batterie allo stato solido, gli elettroliti solidi agli ioni litio hanno fatto progressi ma le prestazioni complessive non sono ancora in grado di soddisfare le esigenze di accumulo di energia su larga scala.
Pertanto la ricerca, oltre ad approfondire le potenzialità degli elettroliti solidi, si è concentrata anche sui liquidi ionici costituiti da cationi organici come imidazolio, ammonio e pirrolidinio e anioni inorganici o organici di grosse dimensioni legati da legami ionici.
A causa delle loro grandi dimensioni di ioni, i liquidi ionici mostrano un’elevata viscosità, che porta a una conduttività ionica relativamente bassa. Per risolvere questi problemi, sono stati studiati elettroliti costituiti da tetrafluoroborato di ammonio quaternario disciolto in solventi organici, come acetonitrile o carbonato di propilene.
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il 14 Gennaio 2025