Effect of Ionic Liquid Incorporation on Sodium-Ion Conducting Gel Polymer Electrolytes Based on PVDF-HFP and Sodium Triflate

I dispositivi di accumulo di energia, dai telefoni nelle nostre tasche alle auto sulle nostre strade, si affidano a un componente critico chiamato elettrolita. Questa sostanza agisce come un ponte, permettendo alle particelle cariche di muoversi tra le estremità positiva e negativa di una batteria. Per decenni, gli elettroliti liquidi sono stati lo standard perché muovono gli ioni rapidamente, ma comportano rischi significativi: possono perdere, prendere fuoco o corrodere le parti della batteria. Esistono alternative solide che sono più sicure, ma spesso faticano a condurre gli ioni in modo efficiente, specialmente quando la temperatura scende. Per risolvere questo problema, gli scienziati si sono rivolti a un approccio ibrido noto come elettrolita a polimero gel. Immaginate una spugna che trattiene il liquido all'interno di una struttura solida; questa struttura offre la sicurezza di un solido con la fluidità di movimento di un liquido, rendendola un candidato promettente per la prossima generazione di batterie.

In uno studio recente, i ricercatori dell'Università Uva Wellassa in Sri Lanka hanno indagato su come rendere questi elettroliti gel ancora migliori per le batterie agli ioni di sodio. Il sodio è un'alternativa attraente al litio perché è più abbondante e meno costoso, ma richiede materiali specifici per muoversi efficientemente. Il team si è concentrato su un materiale plastico flessibile chiamato PVDF-HFP, noto per la sua capacità di intrappolare i liquidi, e lo ha mescolato con un sale di sodio per trasportare la carica. Per potenziare le prestazioni, hanno introdotto un tipo speciale di sale noto come liquido ionico. A differenza dei sali usati in cucina, che sono solidi a temperatura ambiente, i liquidi ionici sono sali che rimangono liquidi anche al freddo. Sono apprezzati per essere non infiammabili e stabili sotto il calore. I ricercatori volevano vedere se l'aggiunta di questo sale liquido alla miscela di plastica e sodio avrebbe creato un percorso più fluido per il viaggio degli ioni di sodio, migliorando così la capacità della batteria di immagazzinare e rilasciare energia.

Il team ha preparato diversi campioni mescolando la plastica, il sale di sodio e varie quantità di liquido ionico. Hanno utilizzato un metodo standard di dissoluzione degli ingredienti in un solvente e lasciato evaporare il tutto per lasciare dietro di sé sottili pellicole trasparenti. Hanno testato pellicole con diversi rapporti, che andavano da nessuna aggiunta di liquido ionico fino a una miscela in cui il liquido ionico costituiva due terzi del peso. L'obiettivo era trovare l'equilibrio perfetto in cui il materiale rimanesse flessibile e resistente pur conducendo elettricità il più possibile. Hanno scoperto che, aggiungendo più liquido ionico, il materiale diventava più simile a un gel, pur rimanendo autoportante e senza perdere la propria forma. Il campione di maggior successo conteneva il sessantasette per cento di liquido ionico in peso. A temperatura ambiente, questa specifica miscela conduceva elettricità a una velocità di 4,66 milliSiemens per centimetro, un miglioramento significativo rispetto ai campioni con meno liquido. Quando la temperatura veniva alzata a sessanta gradi Celsius, la conducibilità aumentava ulteriormente, raggiungendo gli 8,80 milliSiemens per centimetro.

Per capire perché questa miscela funzionasse così bene, i ricercatori hanno esaminato la struttura interna del materiale utilizzando la diffrazione a raggi X, una tecnica che rivela come sono disposti gli atomi. Hanno scoperto che la plastica pura e la plastica mischiata con solo il sale di sodio avevano una struttura cristallina parzialmente ordinata, come una pila di mattoni ordinatamente impilati. Tuttavia, quando è stato aggiunto il liquido ionico, questo ordine è crollato. I modelli netti e distinti dei cristalli sono scomparsi, sostituiti da un segnale ampio e sfocato che indicava uno stato amorfo più disordinato. In questo stato disordinato, le catene polimeriche sono meno rigide e hanno più spazio per oscillare. Questa maggiore flessibilità permette agli ioni di sodio di muoversi attraverso il materiale molto più facilmente, il che spiega l'elevata conducibilità. Il liquido ionico ha agito essenzialmente come un lubrificante, interrompendo l'impacchettamento stretto di plastica e sale e creando un ambiente più aperto per il viaggio degli ioni.

Il team ha anche esaminato come il materiale si comportava sotto il calore. Utilizzando una tecnica chiamata calorimetria a scansione differenziale, hanno misurato le temperature alle quali il materiale fondeva o cambiava stato. Hanno osservato che l'aggiunta del liquido ionico abbassava i punti di fusione dei diversi componenti, confermando ulteriormente che il materiale era diventato meno rigido e più flessibile. Questa flessibilità è cruciale perché permette agli ioni di saltare da un punto all'altro con meno resistenza. Inoltre, hanno utilizzato la spettroscopia infrarossa per ascoltare le vibrazioni dei legami chimici all'interno del materiale. I cambiamenti in queste vibrazioni hanno mostrato che il liquido ionico non stava solo seduto passivamente nella miscela; interagiva attivamente con la plastica e il sale di sodio. Queste interazioni hanno aiutato a scomporre il sale di sodio in singoli ioni, garantendo che fossero disponibili più portatori di carica per svolgere il lavoro di conduzione dell'elettricità.

Infine, i ricercatori hanno testato la sicurezza e la durata del loro nuovo elettrolita riscaldandolo per vedere quando avrebbe iniziato a decomporsi. I risultati hanno mostrato che i materiali erano notevolmente stabili, resistendo a temperature fino a quattrocento gradi Celsius prima di mostrare segni di decomposizione. Sebbene l'aggiunta del liquido ionico abbia leggermente abbassato la temperatura alla quale la plastica iniziava a degradarsi rispetto alla plastica pura, il materiale rimaneva abbastanza stabile per l'uso pratico nelle batterie. Lo studio ha concluso che l'incorporazione del liquido ionico nel elettrolita a polimero gel è una strategia altamente efficace. Trasforma il materiale da un solido rigido e meno conduttivo in un gel flessibile e altamente conduttivo senza sacrificare la stabilità termica. Questo risultato suggerisce una chiara strada da seguire per lo sviluppo di batterie agli ioni di sodio più sicure ed efficienti, che un giorno potrebbero alimentare tutto, dall'elettronica portatile ai veicoli elettrici.