Thymol–Menthol Deep Eutectic Solvent as a Functional Additive for PEO-Based Solid Polymer Electrolytes

Nella ricerca di batterie più sicure ed efficienti, gli scienziati guardano da tempo oltre gli elettroliti liquidi che alimentano i dispositivi odierni. Sebbene i liquidi funzionino bene, comportano rischi di perdite, evaporazione e infiammabilità. Ciò ha favorito una transizione verso gli elettroliti polimerici solidi, ovvero fogli flessibili di plastica in grado di condurre elettricità senza i pericoli di un liquido. Il materiale più comune per questi fogli è un polimero chiamato ossido di polietilene. Tuttavia, questo materiale presenta un punto debole ostinato: è troppo rigido e duro a temperatura ambiente, il che rende difficile per gli ioni — le minuscole particelle cariche che trasportano l'energia — muoversi rapidamente attraverso di esso. Per risolvere questo problema, i ricercatori cercano spesso di ammorbidire la plastica o di aggiungere sostanze che aiutino gli ioni a scivolare più facilmente, ma trovare l'additivo giusto che sia allo stesso tempo efficace e rispettoso dell'ambiente rimane una sfida significativa.

Un team di ricercatori dalla Malesia ha adottato un approccio nuovo a questo problema rivolgendosi alla natura per una soluzione. Hanno investigato un tipo specifico di miscela noto come solvente eutettico profondo, creato combinando due composti comuni e naturali: il timolo, presente nel timo, e il mentolo, l'agente rinfrescante della menta. Quando mescolati in proporzioni specifiche, questi due solidi si fondono insieme formando un liquido limpido e stabile a temperatura ambiente, comportandosi come un solvente senza la tossicità dei prodotti chimici tradizionali. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di vedere se questo liquido verde potesse essere utilizzato come additivo per ammorbidire i rigidi fogli di ossido di polietilene e potenziare la loro capacità di condurre elettricità.

Il team ha iniziato creando diverse versioni di questo liquido timolo-mentolo, testando diverse proporzioni dei due ingredienti per trovare la forma più stabile. Hanno misurato proprietà fisiche come la densità e la tensione superficiale per comprendere come le molecole interagissero tra loro. Hanno scoperto che una miscela contenente quattro parti di mentolo e una parte di timolo creava un liquido con la densità e la tensione superficiale più basse, suggerendo una struttura molecolare molto organizzata e fluida. Prima di aggiungere questo liquido al materiale della batteria, hanno confermato che l'ossido di polietilene potesse sciogliersi in esso, gonfiandosi e trasformandosi in un gel traslucido, il che indicava che le due sostanze erano compatibili e pronte per essere combinate.

Successivamente, i ricercatori hanno mescolato l'additivo liquido nell'ossido di polietilene per creare un nuovo film solido. Per comprendere cosa stesse accadendo a livello molecolare, hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, che funge da scanner d'impronta digitale per le sostanze chimiche. I risultati hanno mostrato che i gruppi ossidrilici del timolo e del mentolo formavano legami forti con gli atomi di ossigeno nelle catene polimeriche. Questa interazione era cruciale perché significava che l'additivo non si limitava a stare sulla superficie, ma era profondamente integrato nella struttura della plastica, allentando efficacemente la stretta morsa che le catene polomeriche avevano l'una sull'altra.

Il team ha poi testato quanto bene questi nuovi film conducessero l'elettricità utilizzando un metodo chiamato spettroscopia di impedenza elettrochimica. Hanno confrontato i fogli di polimero puro con i fogli contenenti diverse quantità di l'additivo timolo-mentolo. Il polimero puro era un cattivo conduttore, ma non appena l'additivo veniva introdotto, la capacità di trasportare carica migliorava significamente. La prestazione migliore è stata ottenuta dalla miscela contenente la maggiore quantità di mentolo, specificamente quella con un rapporto di quattro a uno tra mentolo e timolo. Questa miscela specifica ha permesso al materiale di condurre elettricità a un tasso di 1,28 × 10⁻⁶ S cm⁻¹, un miglioramento sostanziale rispetto al materiale non modificato. I ricercatori hanno attribuito questo successo alla minore viscosità della miscela, che dava agli ioni più spazio per muoversi, e alla struttura chimica unica del timolo, che aiutava a facilitare il flusso di carica.

Infine, i ricercatori hanno controllato come questi nuovi materiali resistessero al calore. Hanno scoperto che, sebbene il liquido timolo-mentolo puro si degradasse a temperature relativamente basse, nel momento in cui veniva intrappolato all'interno della matrice polimerica, diventava molto più stabile. Il film solido risultante poteva resistere a temperature ben superiori a quelle richieste per il tipico funzionamento delle batterie, dimostrando che l'additivo non comprometteva la sicurezza o la durata del prodotto finale. Lo studio conclude che l'uso di questo liquido naturale e "green" come additivo è una strategia promettente per rendere gli elettroliti polimerici solidi più efficienti. Sebbene i ricercatori sottolineino che siano necessari ulteriori lavori per ottimizzare il materiale per i dispositivi del mondo reale, i loro risultati dimostrano che ingredienti semplici ed ecologici possono migliorare significativamente le prestazioni dei componenti delle batterie di prossima generazione.