La conduttività ionica (σ) rappresenta la conduttività elettrica generata dal movimento degli ioni caricati. Valori elevati di conduttività ionica sono comunemente associati agli elettroliti liquidi. Tuttavia, si sono registrati alti livelli anche in elettroliti solidi, come AgI e RbAg4I5, nei quali la conduttività dello ione argento può raggiungere 3 · 10 −1 S/cm a temperatura ambiente, attestandosi su valori analoghi a quelli degli elettroliti liquidi.
Importanza della conduttività ionica
La conduttività ionica è considerata il parametro principale per caratterizzare un elettrolita, poiché descrive la velocità di trasporto degli ioni durante le fasi di carica e scarica di una batteria. La capacità dei materiali di condurre elettricità attraverso il movimento ionico è essenziale in applicazioni come batterie, celle a combustibile e sensori, nonché nella degradazione dei materiali stessi.
Questa conduttività, similmente a quella elettronica, si esprime attraverso la formula: σ = qnb. In essa, q rappresenta la carica del portatore, n denota la concentrazione (intesa come numero di particelle per unità di volume), mentre b corrisponde alla mobilità, che descrive la velocità media di un portatore soggetto a un campo elettrico di intensità unitaria.
Elettroliti solidi e le loro caratteristiche
Gli elettroliti solidi, noti anche come conduttori superionici, sono materiali dotati di alta conduttività ionica e trascurabile conduttività elettronica. Questi presentano vantaggi significativi rispetto ai liquidi ionici, in particolare per quanto riguarda la sicurezza, che è accompagnata da miglioramenti nella potenza e nella densità energetica.
Esistono elettroliti solidi che all’ambiente di temperatura normale presentano una conduttività elettrica simile a quella degli elettroliti liquidi. Tali materiali possono raggiungere valori di conduttività elettrica variabili in un ampio range di temperature e condizioni ambientali, e sono caratterizzati dalla presenza di diversi ioni come specie conduttrici.
Gli elettroliti solidi inorganici, che mostrano alte conduttività ioniche e un’ampia stabilità elettrochimica, si sono dimostrati compatibili con gli anodi metallici al litio. Ciò li ha resi particolarmente promettenti per le batterie a ioni di litio a stato solido. Questi dispositivi offrono miglioramenti significativi in termini di sicurezza e una buona densità energetica, oltre a una durata di vita prolungata.
Il lavoro pionieristico di John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, che ha portato al Premio Nobel per la Chimica nel 2019, ha svolto un ruolo fondamentale nell’affermare le batterie a ioni di litio nei settori dell’elettronica portatile, delle automobili elettriche e dei veicoli ibridi.
Recenti eventi esplosivi connessi al fenomeno di thermal runaway nelle batterie al litio e le preoccupazioni per la sicurezza hanno incentivato la ricerca di nuove strategie. L’obiettivo è sviluppare dispositivi di stoccaggio dell’energia elettrochimica più sicuri, anche se gli elettroliti liquidi offrono conduttività ionica elevata, che si attesta tra 10 −3 e 10 −2 S/cm.
Gli elettroliti solidi inorganici vantano alti livelli di conduttività ionica, permettendo così cariche e scariche rapide, superiori a quelle degli elettroliti solidi polimerici organici. Ciò consente un movimento ionico rapido ed efficace all’interno del materiale.
Liquidi ionici e le loro sfide
La produzione di batterie a stato solido al momento presenta efficienza limitata e non è ancora giunta a un livello per la produzione su larga scala. Questo si traduce in costi elevati e nella carenza di sistemi di materiali elettrolitici ad alte prestazioni. Negli ioni litio, gli elettroliti solidi continuano a migliorare, ma le loro prestazioni globali non raggiungono ancora le necessità di accumulo di energia su scala ampia.
Di conseguenza, la ricerca si è concentrata non solo sul potenziamento degli elettroliti solidi, ma anche sui liquidi ionici, i quali sono composti da cationi organici, come imidazolio, ammonio e pirrolidinio, e anioni di dimensioni maggiori, inorganici o organici. La loro struttura porta a un’elevata viscosità, che influisce negativamente sulla conduttività ionica. Per affrontare queste problematiche, sono stati studiati elettroliti a base di tetrafluoroborato di ammonio quaternario disciolto in solventi organici come acetonitrile o carbonato di propilene.
