Gli elettroliti solidi, conosciuti anche come conduttori superionici, sono materiali caratterizzati da un’elevata conduttività ionica, capace di trasmettere sia cationi che anioni, mentre la conduttività elettronica è trascurabile. Questi materiali offrono numerosi vantaggi rispetto agli elettroliti liquidi, in particolare una maggior sicurezza, unita a una densità e potenza energetica più elevate.
Applicazioni degli elettroliti solidi
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I solidi elettrolitici permettono la creazione di innovativi sistemi di accumulo energetico, tra cui pile a combustibile a ossido solido, supercondensatori e batterie. Per fabbricare uno strato elettrolitico in una batteria, si utilizzano tecniche specializzate come lo stampaggio a compressione e la sinterizzazione di materiali in polvere.
Esistono elettroliti solidi in grado di raggiungere, a temperatura ambiente, una conduttività elettrica paragonabile a quella degli elettroliti liquidi. Questa conduttività elettrica può essere ottenuta anche in una vasta gamma di temperature e condizioni ambientali, consentendo l’uso di vari ioni come specie conduttrici.
Tipologie di elettroliti solidi
Gli elettroliti solidi possono essere classificati in diverse categorie, basandosi sulla loro microstruttura e proprietà fisiche. Si possono distinguere:
- Materiali con struttura cristallina
- Elettroliti amorfi di tipo vetroso
- Elettroliti compositi
- Elettroliti polimerici
Gli elettroliti polimerici e quelli amorfi di tipo vetroso presentano un disordine microscopico, mentre gli elettroliti compositi sono disordinati su scala macroscopica. Al contrario, i materiali con struttura cristallina mostrano un’organizzazione ordinata.
In base alla composizione chimica, gli elettroliti solidi si dividono in elettroliti solidi inorganici (SIE), il cui trasporto ionico è influenzato da vari fattori, tra cui le concentrazioni di ioni mobili e lacune presenti nella struttura cristallina. Si possono riconoscere tre categorie principali, quali:
Ossidi, come l’ossido di litio lantanio zirconio (LLZO) e lisicon (LIthium Super Ionic CONductor), che presentano formule chimiche specifiche come Li2+2xZn1−xGeO4 e il tipo NASICON, acronimo di (Na) super ionic conductor, con la formula Na1+xZr2SixP3−xO12.
Discorso simile vale per i solfuri, come il solfuro di litio germanio fosforo (LGPS), e i fosfati, come il fosfato di litio alluminio titanio (LATP).
Gli elettroliti solidi polimerici, che combinano una matrice polimerica organica e un sale di litio, presentano diverse caratteristiche vantaggiose, tra cui flessibilità meccanica e leggerezza, rendendoli pratici per la produzione e capaci di adattarsi alle variazioni di volume degli elettrodi durante cicli di carica e scarica.
Con l’emergere delle batterie agli ioni di litio allo stato solido, la ricerca si è concentrata su elettroliti solidi inorganici con elevata conduttività ionica e ampio intervallo di stabilità elettrochimica. Questi elettroliti rappresentano un notevole avanzamento, contribuendo a garantire una maggiore sicurezza e durabilità delle batterie.
Negli ultimi anni, la crescente diffusione di fonti di energia rinnovabile ha sollecitato un aumento dell’uso di dispositivi di accumulo energetico. Le batterie a ioni di litio hanno raggiunto un ampio riconoscimento grazie al lavoro pionieristico di importanti scienziati, incluso il Premio Nobel per la Chimica nel 2019. Nonostante ciò, recenti incidenti, come esplosioni legate a batterie al litio, hanno evidenziato la necessità di soluzioni più sicure.
Gli elettroliti solidi offrono vantaggi significativi rispetto a quelli liquidi, poiché non sono infiammabili. Ciò implica una durata prolungata, stabilità operativa e prestazioni superiori, anche in condizioni di elevata temperatura. Tuttavia, è fondamentale considerare che da un lato, gli elettroliti solidi potrebbero avere una conduttività ionica inferiore rispetto a quella dei liquidi, il che potrebbe influenzare negativamente la densità energetica e la potenza complessiva delle batterie.
