Una nuova tecnica "one-pot" come svolta per la sintesi dei materiali

Gli elettroliti inorganici allo stato solido sono estremamente efficienti nel trasporto delle particelle, ma essendo solidi e inorganici sono anche fragili, difficili da lavorare e da collegare senza problemi ai terminali. Gli elettroliti polimerici sono un sogno, ma non trasportano altrettanto bene gli ioni carichi.

Quando si mescolano le due cose per creare elettroliti ibridi, si ottengono, beh, risultati contrastanti.

"È un dilemma. Un ibrido rappresenta il meglio dei due mondi, in termini di maggiore conducibilità ionica del materiale inorganico e di buone proprietà meccaniche del polimero, oppure è una combinazione delle peggiori proprietà?", spiega il professore assistente Chibueze Amanchukwu della Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) dell'Università di Chicago.

Grazie a una nuova tecnica del laboratorio di Amanchukwu, gli elettroliti inorganici e polimerici vengono prodotti contemporaneamente nello stesso recipiente. Questo metodo "one-pot" in situ produce una miscela controllata e omogenea che combina la conduttività dei solidi inorganici con la flessibilità dei polimeri.

"Nella produzione di batterie al litio metallico, il metodo in-situ supera in modo significativo il metodo di miscelazione fisica", afferma Amanchukwu.

Il loro lavoro è stato pubblicato su Chemistry of Materials.

Sebbene lo studio si sia concentrato sugli elettroliti delle batterie, la nuova tecnica avrà un impatto anche sulla ricerca sui semiconduttori, sull'elettronica, sui rivestimenti industriali, sui sigillanti e su qualsiasi altro campo che si basi su materiali ibridi.

"Supponendo di volere qualcosa che si allunghi e si torca molto bene, come l'elettronica indossabile, si potrebbe progettare il polimero per ottenere la flessibilità meccanica con quel materiale", ha detto il primo autore Priyadarshini Mirmira, PhD'24.

Combinare le correnti

La produzione di materiali ibridi comporta attualmente due flussi di sintesi. I materiali inorganici e polimerici vengono prodotti separatamente, anche se entrambi sono sintetizzati nello stesso momento, e poi è necessario un tempo aggiuntivo per miscelare i due materiali.

Si tratta di una seccatura in laboratorio, ma di un ostacolo economico nella produzione di massa richiesta dall'industria.

"Da un punto di vista industriale, è davvero difficile e costoso scalare la produzione", spiega Mirmira. "Se si possono produrre entrambe le cose in un'unica pentola, si riduce la manodopera necessaria per produrre il materiale ibrido".

La miscelazione delle plastiche high-tech presenta gli stessi problemi della farina d'avena: i grumi. Una miscela grumosa significa batterie inefficienti, sigillanti grumosi ed elettronica meno utile.

"Ho creato la polvere, la ceramica e il polimero, ora posso mescolarli", ha detto Amanchukwu, "La sfida è: cosa rende una buona miscela? Volete una buona miscela? Non è quello che vuoi? Le particelle si agglomerano? Oppure no?".

Non solo la fabbricazione dei materiali in una pentola risulta in una miscela fisica perfetta, ma il team ha anche scoperto che alcuni materiali si mescolano chimicamente.

"Con alcune combinazioni del precursore inorganico e del precursore polimerico, siamo stati in grado di dimostrare la reticolazione, cioè un legame chimico tra l'inorganico e il polimero", dice Amanchukwu. "Questa è semplicemente una nuova chimica dei materiali che ci ha entusiasmato".

Applicazioni diverse

Il lavoro si è concentrato sulle batterie al litio, che sono più comunemente utilizzate nei veicoli elettrici, nell'immagazzinamento di rete e in altre applicazioni. Tuttavia, la tecnica può essere utilizzata anche con le batterie al sodio, che stanno guadagnando terreno come alternativa più economica e abbondante al litio.

"Si tratta solo di cambiare uno dei reagenti sul lato inorganico per renderlo applicabile anche a una batteria al sodio", ha detto Mirmira.

Per portare il processo one-pot al livello necessario per la produzione industriale sono necessari "alcuni aggiustamenti", ha detto Mirmira. In primo luogo, il processo deve essere completamente privo di aria, vale a dire eseguito sotto argon o altro gas inerte. Questo è più facile da ottenere in laboratorio che in fabbrica.

In secondo luogo, la pentola si scalda. Per raggiungere livelli industriali, è necessaria una regolazione precisa: il recipiente deve essere sufficientemente caldo per sintetizzare il polimero, ma non così tanto da superare la temperatura di decomposizione del materiale.

"Se si aumenta la reazione, si ha più materiale e il recipiente diventa ancora più caldo", spiega Mirmira. "Quindi bisogna preoccuparsi del controllo della temperatura".

Una volta superati questi ostacoli, la ricerca porterà a ibridi perfetti e omogenei, prodotti in modo economico e chimicamente efficiente.

"Questo tipo di controllo su un materiale polimerico inorganico completamente integrato era una sfida che stavamo cercando di risolvere, ed è stata una cosa molto bella da realizzare", dice Mirmira.