Elettroliti solidi
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. La maggior parte degli elettroliti sono liquidi o sali fusi, ma alcuni elettroliti sono solidi
Gli elettroliti solidi consentono la realizzazione di diversi sistemi di accumulo di energia di nuova generazione tra cui pile a combustibile a ossido solido, supercondensatori e batterie. Sono lavorati con tecniche appropriate come stampaggio a compressione o sinterizzazione di materiali in polvere per formare uno strato elettrolitico in una batteria.
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.
Classificazione degli elettroliti solidi
Sulla base della microstruttura e delle proprietà fisiche, gli elettroliti solidi sono suddivisi nelle seguenti categorie:
Elettroliti amorfi di tipo vetroso
Materiali a struttura cristallina
Elettroliti compositi
Elettroliti polimerici
Gli elettroliti amorfi di tipo vetroso e quelli polimerici sono microscopicamente disordinati, mentre gli elettroliti compositi sono macroscopicamente disordinati e i materiali a struttura cristallina sono ordinati.
Sulla base della composizione chimica con classificati in:
elettroliti solidi inorganici (SIE) in cui il trasporto ionico è determinato dalle concentrazioni di ioni mobili e lacune, dalle dimensioni relative dei percorsi di conduzione connessi nelle strutture cristalline con difetti di punto nonché dalle proprietà di diffusione ionica ai bordi dei grani.
A questo gruppo appartengono tre categorie principali, tra cui:
ossidi come l’ossido di litio lantanio zirconio (LLZO) La3Li7O12Zr2. Gli elettroliti di ossido cristallino più comuni includono il tipo perovskite, il tipo
LISICON acronimo di LIthium Super Ionic CONductor a cui appartiene una famiglia di solidi con formula chimica Li2+2xZn1 −xGeO4, il tipo NASICON, acronimo di (Na) super ionic conductor con formula Na1+x Zr2SixP3−xO12 e il tipo granato come, ad esempio, La3M2Li5O12 (M = Nb, Ta)
solfuri come il solfuro di litio germanio fosforo (LGPS) Li10GeP2S12
fosfati come fosfato di litio alluminio titanio (LATP) Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3
Gli elettroliti solidi polimerici organici che mostrano flessibilità meccanica, leggerezza, praticità del processo di fabbricazione e adattamento delle variazioni di volume degli elettrodi durante la carica/scarica sono costituiti da una matrice polimerica organica e da un sale di litio, ad esempio, ossido di polietilene (PEO) noto come glicole polietilenico o polivinilidenfluoruro (PVDF) contenente esafluorofosfato di litio (LiPF6).
Batterie agli ioni di litio allo stato solido
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.
Negli ultimi decenni, l’uso di fonti di energia rinnovabili è aumentato in modo significativo e lo sviluppo di dispositivi elettronici indossabili e leggeri è avanzato rapidamente. Ciò ha fatto esplodere in modo esponenziale l’utilizzo di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica che immagazzinano una maggiore quantità di energia per unità di superficie rispetto ad altri dispositivi di accumulo di carica.
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, 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.
Rispetto agli elettroliti liquidi che possono essere infiammabili e dar luogo a degradazione elettrolitica e instabilità elettrolita-elettrodo, con conseguente riduzione delle prestazioni della batteria e durata di vita più breve gli elettroliti solidi, oltre a non essere infiammabili, hanno il potenziale per offrire una maggiore durata, stabilità, densità energetica, un intervallo di potenziale operativo completo e prestazioni superiori in ambienti ad alta temperatura.
Le prestazioni delle batterie agli ioni di litio allo stato solido dipendono dall’utilizzo di specifici elettroliti solidi che favoriscono il movimento degli ioni tra l’anodo e il catodo tra cui sono interposti. Quando gli ioni litio migrano verso l’anodo, il catodo subisce una ossidazione con conseguente rilascio di elettroni.
Questi elettroni rilasciati passano attraverso un circuito esterno, fornendo la potenza necessaria per far funzionare il dispositivo. Una volta raggiunto l’anodo, gli ioni litio acquistano elettroni riducendosi con formazione di atomi di litio che vengono integrati nel materiale dell’anodo.
L’elettrolita facilita il movimento degli elettroni tramite il circuito esterno e consente agli ioni di passare attraverso l’elettrolita tra gli elettrodi simultaneamente sfruttando la differenza di potenziale chimico tra essi.
Il meccanismo di conversione converte l’energia rilasciata dalle reazioni chimiche in energia elettrica che può essere utilizzata. Questo processo porta il sistema verso una condizione termodinamicamente favorevole durante la scarica. Il metodo di trasporto ionico è subordinato alle caratteristiche specifiche degli elettroliti e dei loro elementi costitutivi.
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.
Gli elettroliti solidi inorganici mostrano inoltre un’eccellente stabilità meccanica grazie alla loro rigida struttura cristallina o vetrosa. Questa stabilità aiuta a prevenire la formazione di cortocircuiti interni all’interno della batteria, garantendo sia sicurezza che longevità.
Infine, gli elettroliti solidi inorganici mostrano una maggiore stabilità termica, consentendo alle batterie agli ioni di litio allo stato solido di funzionare a temperature elevate senza compromettere le prestazioni. La maggiore stabilità termica mitiga anche il possibile verificarsi di incidenti di fuga termica e facilita l’uso di meccanismi di raffreddamento della batteria più efficaci per evitare incendi o esplosioni indesiderati.
Tuttavia, è importante sottolineare che, rispetto agli elettroliti liquidi, la maggior parte degli elettroliti solidi presenta livelli inferiori di conduttività ionica. Questa disparità può ostacolare l’interfaccia dell’elettrodo, con conseguente riduzione della potenza della batteria e della densità energetica. Inoltre alcuni elettroliti solidi sono relativamente sensibili all’umidità e richiedendo una manipolazione e uno stoccaggio attenti per evitare il degrado delle prestazioni.
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il 13 Gennaio 2025