Pertanto, gli elettroliti solidi in grado di superare questi problemi hanno attirato sempre maggiore attenzione negli ultimi decenni e sono stati considerati un importante progresso per garantire sistemi di batterie al litio sicuri e di lunga durata che utilizzano un anodo di litio metallico.² Esistono inoltre diversi tipi di elettroliti solidi.

Tipi di elettroliti allo stato solido

• Elettroliti solidi inorganici.
Gli elettroliti solidi inorganici presentano una conduttività ionica relativamente elevata, un'elevata stabilità termica, un'elevata resistenza meccanica e non sono infiammabili. Possono essere suddivisi in ossidi, solfuri e altri. Molti ricercatori hanno studiato nuovi elettroliti solidi inorganici per sostituire gli elettroliti liquidi infiammabili o per migliorare le prestazioni degli elettroliti solidi esistenti. ^1,6
Gli elettroliti solidi inorganici a base di ossidi presentano un'elevata stabilità chimica ed elettrochimica, resistenza meccanica e tensione di ossidazione. Tuttavia, gli elettroliti solidi inorganici a base di solfuri possiedono una conduttività ionica superiore rispetto agli elettroliti a base di ossidi a causa della sostituzione isovalente dell'ossigeno con lo zolfo, più polarizzabile. Inoltre, gli idruri composti sono considerati elettroliti solidi inorganici affidabili grazie alla loro resistenza, all'elevata stabilità al litio metallico, all'elevata resistenza meccanica e all'elevata flessibilità.^¹

• Elettroliti solidi polimerici
Rispetto agli elettroliti solidi inorganici, i solidi polimerici mostrano vantaggi promettenti, come un processo di produzione più semplice, maggiore flessibilità, maggiore stabilità chimica e soddisfacente compatibilità con gli elettrodi.^¹
Gli elettroliti polimerici in gel presentano i vantaggi più significativi, come la loro forma modellabile, poiché il gel è una forma intermedia tra liquido e solido che esibisce sia la stabilità e la flessibilità dei solidi sia la diffusività dei liquidi. D'altra parte, gli elettroliti solidi polimerici a base di perovskite sono noti per avere una buona stabilità ad alte tensioni. Tuttavia, le loro condizioni di preparazione sono molto rigorose e la loro conduttività ionica è piuttosto bassa. ^{^8,9}
La cellulosa è un materiale naturale, non tossico, economico ed ecologico con elevata resistenza meccanica e un'ampia superficie specifica. Grazie alle sue proprietà uniche, la cellulosa non solo può migliorare le proprietà meccaniche dei polimeri negli elettroliti, ma anche ostacolare la crescita dei dendriti di litio, agendo come una barriera fisica. Inoltre, l'aggiunta di riempitivi ceramici può migliorare notevolmente sia le sue prestazioni che la sua resistenza e stabilità meccanica. ^{3, 7}

Proprietà degli elettroliti allo stato solido
Per l'applicazione nei dispositivi di accumulo di energia, gli elettroliti solidi offrono diversi vantaggi rispetto agli elettroliti liquidi. Le loro proprietà principali sono: sicurezza, flessibilità, elasticità o estensibilità, portabilità e autoriparazione. ¹
• Sicurezza. Le buone proprietà meccaniche degli elettroliti solidi possono resistere alla pressione esterna e alla perforazione, riducendo così la possibilità di cortocircuiti nei dispositivi di accumulo di energia. Inoltre, la loro elevata stabilità termica consente ai dispositivi di accumulo di energia di resistere ad alte temperature.
• Flessibilità. Gli elettroliti solidi polimerici non solo risolvono il problema di sicurezza causato dalle perdite negli elettroliti liquidi, ma sono anche in grado di flettersi e piegarsi grazie alla loro elevata flessibilità.
• Elasticità. I ​​componenti rigidi nei dispositivi possono essere sostituiti con materiali elastici. Inoltre, gli elettroliti polimerici in gel con elevata estensibilità sono ampiamente studiati per la produzione di dispositivi di accumulo di energia elastici.
• Portabilità. I ​​dispositivi di accumulo di energia in fibra unidimensionale possono essere intrecciati nei tessuti per adattarsi meglio al corpo umano, rendendoli più attraenti per l'elettronica indossabile.
• Autoriparazione. I dispositivi di accumulo di energia sono inevitabilmente soggetti a sollecitazioni dovute a vari tipi di deformazione. Dopo un utilizzo prolungato, questi dispositivi possono danneggiarsi, riducendone la durata e l'affidabilità. Pertanto, è possibile progettare dispositivi di accumulo di energia con la capacità di autoriparare le interfacce incrinate.

Selezione dei materiali
• Matrici polimeriche
Con il rapido sviluppo delle batterie al litio, sebbene sia difficile per gli elettroliti polimerici monocomponenti soddisfare contemporaneamente tutti i requisiti, la ricerca sulle strutture chimiche di base delle matrici polimeriche monocomponenti può fornire una solida base e chiare direzioni per aiutare a esplorare elettroliti a base di polimeri multicomponenti con buone prestazioni.
Il poliossietilene ad alto peso molecolare (PEO) è stato ampiamente studiato come matrice polimerica per batterie al litio polimeriche grazie alle sue buone proprietà meccaniche e alla buona compatibilità con gli elettrodi. D'altra parte, il poliacrilonitrile (PAN) possiede un'eccellente stabilità elettrochimica, un'ampia finestra elettrochimica, una buona stabilità termica e una notevole resistenza meccanica. Inoltre, l'elevato potenziale di resistenza all'ossidazione degli elettroliti PAN li rende adattabili a materiali catodici ad alta tensione per ottenere un'elevata densità di energia. Anche i policarbonati alifatici (APC) si sono dimostrati buone matrici polimeriche alternative per gli elettroliti allo stato solido, così come i poliacrilati (PA), che possiedono una buona compatibilità interfacciale e sono economicamente vantaggiosi. ^{^1,4}
• Matrici polimeriche ingegnerizzate
Gli elettroliti solidi a base di polimeri (PSE) con matrici polimeriche modificate possono ridurre le regioni polimeriche cristalline senza separazione di fase, migliorando così la loro conduttività ionica. Inoltre, l'introduzione di catene rigide o la costruzione di polimeri reticolati possono migliorare la resistenza dei PSE, riducendo la crescita dei dendriti di litio.
Aggiungendo un copolimero, è possibile ottenere migliori proprietà meccaniche e una discreta conduttività ionica per gli elettroliti a base di copolimeri in condizioni ambientali. La reticolazione di questi polimeri può ulteriormente aumentare il modulo di immagazzinamento dinamico degli elettroliti polimerici e migliorarne sia la stabilità termica che la resistenza alla trazione.
Una rete polimerica interpenetrante (IPN) contiene due o più reti polimeriche reticolate distinte senza legami covalenti tra di esse. Grazie alle loro intrinseche strutture parzialmente intrecciate, le reti IPN non possono essere separate a meno che non vengano rotti i legami chimici, il che migliora significativamente la stabilità dimensionale e la compatibilità tra le due fasi immiscibili. I domini cristallini in un IPN sono ridotti quasi a zero, il che è estremamente vantaggioso per migliorare la conduzione ionica.^¹

Applicazioni degli elettroliti allo stato solido:
il rapido sviluppo degli elettroliti polimerici solidi (PSE) sta guidando il progresso delle batterie al litio ad alte prestazioni per applicazioni pratiche. Di seguito verranno discussi i recenti progressi nell'applicazione dei PSE nelle batterie agli ioni di litio allo stato solido, nelle batterie litio-zolfo e nelle batterie al litio flessibili. ¹⁰
• Batterie al litio. Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono tecnologie con molte potenziali applicazioni. L'adozione di PSE per sostituire gli attuali elettroliti liquidi offrirebbe numerosi vantaggi per le LIB, come migliori proprietà meccaniche, sicurezza e durata, maggiore densità energetica e la possibilità di utilizzare un anodo di litio metallico ad alta capacità.
• Batterie litio-zolfo. Le batterie litio-zolfo (LSB) sono state ampiamente considerate tra le candidate più promettenti per i sistemi di accumulo di energia di prossima generazione. Ciò è dovuto alla loro elevata densità energetica e all'utilizzo di zolfo, abbondante, economico ed ecocompatibile. Rispetto al grande successo commerciale delle batterie agli ioni di litio (LIB), l'applicazione pratica delle batterie al litio (LSB) è ancora ostacolata da diversi fattori.
• Batterie al litio flessibili. Con l'avanzamento dell'elettronica flessibile e portatile, le batterie flessibili come fonte di alimentazione sono essenziali per questa tecnologia emergente.
• Supercondensatori flessibili. I supercondensatori flessibili includono sia elettrodi flessibili che elettroliti allo stato solido. Gli elettroliti liquidi non possono essere utilizzati per realizzare supercondensatori flessibili a causa delle loro perdite e della mancanza di elasticità. Di conseguenza, gli elettroliti liquidi vengono sostituiti da elettroliti solidi o semisolidi.⁵

[1] LLYZ Tingting Ye, “Recenti progressi negli elettroliti solidi per dispositivi di accumulo di energia”, Materiali funzionali avanzati, Nanchino, Cina, 2 marzo 2020.
[2] XLHBWHL Xiaoyan Liu, “Recenti progressi degli elettroliti ibridi allo stato solido per batterie al litio”, Chemistry European Journal, Zhejiang, Cina, 2018.
[3] HYZDYLJLMLJWXL Penghui Yao, “Revisione sugli elettroliti compositi a base di polimeri per batterie al litio”, Frontiers in chemistry, Shenzhen, Cina, 8 agosto 2019.
[4] A. M. Xingwen Yu, «A review of composite polymer-ceramic electrolytes for lithium batteries,» Energy storage materials, Austin, Estados Unidos, 5 de Octubre 2020.
elettroliti compositi polimero-ceramici per batterie al litio”, Materiali per l'accumulo di energia, Austin, Stati Uniti, 5 ottobre 2020. Elettroliti acquosi, non acquosi e allo stato solido per supercondensatori a base di carbonio: una mini-revisione, » Enerfy & Fuels, 35(8), 6465-6482, Tamil Nadu, India, 2021.
[6] CMJAMKZ Mogalahalli V. Reddy, «Elettroliti solidi inorganici solfuro e ossido per batterie al litio a stato solido: una revisione», Centro di eccellenza per l'elettrificazione dei trasporti e l'accumulo di energia (CETEES), Montreal, Canada, 15 agosto 2020.
[7] LWYCPWHZXH Jingnan Feng, «Elettroliti solidi ibridi polimero-ceramici a base di PEO: una revisione», Nano convergence, Pechino, Cina, 10 gennaio 2021.
[8] JYPHHZ Wenjia Zhao, «Elettroliti a stato solido per batterie agli ioni di litio: fondamenti, sfide e prospettive», Electrochemical energy reviews, Zhejiang, Cina, 12 agosto 2019.
[9] SMSHAFS Saeideh Alipoori, «Revisione degli elettroliti polimerici in gel a base di PVA in batterie flessibili a stato solido supercondensatori: opportunità e sfide,» Journal of energy storage, 27(2020) 101072, Teheran, Iran, 9 novembre 2019.
[10] ZWLSJZKEJMSY Fei Lv, «Sfide e sviluppo di elettroliti compositi allo stato solido per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni,» Journal of power sources 441 (2019) 227175, Jiaxing, Cina. Uppsala, Svezia., 18 settembre 2019.