Le strutture cristalline flettenti forniscono materiali energetici solidi

La flessione delle strutture cristalline fornisce materiali energetici solidi: un team di ricercatori della Duke University e i loro collaboratori hanno scoperto i meccanismi atomici che rendono una classe di composti chiamati argiroditi candidati attraenti sia per gli elettroliti delle batterie a stato solido che per i convertitori di energia termoelettrica.

Le scoperte – e l’approccio di apprendimento automatico utilizzato per realizzarle – potrebbero aiutare a inaugurare una nuova era di stoccaggio dell’energia per applicazioni come le batterie domestiche e i veicoli elettrici a ricarica rapida.

I risultati sono apparsi online il 18 maggio sulla rivista Nature Materials.

"Si tratta di un enigma mai risolto prima a causa della grandezza e della complessità di ciascun elemento costitutivo del materiale", ha affermato Olivier Delaire, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke. "Abbiamo individuato i meccanismi a livello atomico che stanno facendo sì che questa intera classe di materiali diventi un tema caldo nel campo dell'innovazione delle batterie a stato solido."

Mentre il mondo si muove verso un futuro basato sulle energie rinnovabili, i ricercatori devono sviluppare nuove tecnologie per immagazzinare e distribuire energia alle case e ai veicoli elettrici. Sebbene fino ad ora il portabandiera sia stata la batteria agli ioni di litio contenente elettroliti liquidi, questa è lungi dall'essere una soluzione ideale data la sua efficienza relativamente bassa e l'affinità dell'elettrolita liquido a prendere fuoco ed esplodere occasionalmente.

"Abbiamo individuato i meccanismi a livello atomico che stanno facendo sì che questa intera classe di materiali diventi un tema caldo nel campo dell'innovazione delle batterie a stato solido."

OLIVIER DELAIRE

Queste limitazioni derivano principalmente dagli elettroliti liquidi chimicamente reattivi all’interno delle batterie agli ioni di litio che consentono agli ioni di litio di muoversi relativamente senza ostacoli tra gli elettrodi. Sebbene siano ottimi per spostare le cariche elettriche, la componente liquida li rende sensibili alle alte temperature che possono causare degrado e, infine, una catastrofe termica fuori controllo.

La flessione delle strutture cristalline fornisce materiali energetici solidi: molti laboratori di ricerca pubblici e privati ​​stanno investendo molto tempo e denaro per sviluppare batterie alternative allo stato solido a partire da una varietà di materiali. Se progettato correttamente, questo approccio offre un dispositivo molto più sicuro e stabile con una densità di energia più elevata, almeno in teoria.

Sebbene nessuno abbia ancora scoperto un approccio commercialmente fattibile alle batterie a stato solido, uno dei principali contendenti si affida a una classe di composti chiamati argiroditi, dal nome di un minerale contenente argento. Questi composti sono costituiti da strutture cristalline specifiche e stabili costituite da due elementi con un terzo libero di muoversi nella struttura chimica. Sebbene alcune ricette come l’argento, il germanio e lo zolfo siano presenti in natura, il quadro generale è sufficientemente flessibile da consentire ai ricercatori di creare un’ampia gamma di combinazioni.

"Tutti i produttori di veicoli elettrici stanno cercando di passare a nuovi progetti di batterie allo stato solido, ma nessuno di loro rivela su quali composizioni stanno scommettendo", ha detto Delaire. "Vincere quella gara rappresenterebbe una svolta perché le auto potrebbero caricarsi più velocemente, durare più a lungo ed essere allo stesso tempo più sicure."

Nel nuovo articolo, Delaire e i suoi colleghi esaminano un candidato promettente composto da argento, stagno e selenio (Ag8SnSe6). Utilizzando una combinazione di neutroni e raggi X, i ricercatori hanno fatto rimbalzare queste particelle in movimento estremamente veloce sugli atomi all’interno di campioni di Ag8SnSe6 per rivelarne il comportamento molecolare in tempo reale. Anche il membro del team Mayanak Gupta, ex postdoc nel laboratorio di Delaire e ora ricercatore presso il Bhabha Atomic Research Center in India, ha sviluppato un approccio di apprendimento automatico per dare un senso ai dati e ha creato un modello computazionale per abbinare le osservazioni utilizzando i principi primi. simulazioni quantomeccaniche.

"Tutti i produttori di veicoli elettrici stanno cercando di passare a nuovi progetti di batterie allo stato solido, ma nessuno di loro rivela su quali composizioni stanno scommettendo. Vincere quella gara sarebbe un punto di svolta perché le auto potrebbero caricarsi più velocemente, durare più a lungo ed essere più sicure" tutto in una volta."