Elettrolita solido LATP: Un componente chiave per le batterie a stato solido

Il LATP, o litio lantanio titanato fosfato, è emerso come materiale chiave nello sviluppo di tecnologie avanzate per l'accumulo di energia, in particolare nelle batterie allo stato solido. Grazie alle sue proprietà distintive, il LATP è diventato un elemento centrale per i ricercatori e i produttori che mirano a migliorare le prestazioni, la sicurezza e l'efficienza delle batterie.

In questo articolo illustriamo le caratteristiche principali, le applicazioni e i concetti essenziali del LATP.

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Che cos'è il LATP?

Il litio lantanio titanato fosfato (LATP) è un composto cristallino che combina litio (Li), lantanio (La), titanio (Ti) e fosfato (PO₄) in una struttura stabile. La combinazione di questi elementi si traduce in un eccellente conduttore ionico, rendendo il LATP un candidato ideale per l'uso come elettrolita solido nelle batterie di prossima generazione.

A differenza degli elettroliti liquidi convenzionali, che possono essere infiammabili e presentare rischi per la sicurezza, il LATP offre un'alternativa più sicura e stabile, con caratteristiche prestazionali superiori.

Proprietà e vantaggi principali

L'elettrolita solido LATP possiede diverse proprietà desiderabili che lo rendono un materiale interessante per l'uso nei dispositivi di accumulo di energia:

1. Elevata conduttività ionica: Il LATP ha dimostrato un'elevata conducibilità ionica, un fattore critico per l'efficienza delle batterie allo stato solido. La sua conducibilità ionica supera spesso i 10-⁴ S/cm a temperatura ambiente, un valore paragonabile o addirittura superiore a quello di molti altri elettroliti solidi, come l'ossinitruro di litio e fosforo (LiPON).
2. Ampia finestra di stabilità elettrochimica: Uno dei vantaggi significativi del LATP è la sua ampia finestra di stabilità elettrochimica, che aumenta la stabilità della batteria e riduce il rischio di reazioni indesiderate tra l'elettrolita e gli elettrodi.
3. Buona resistenza meccanica: Il LATP è noto per le sue robuste proprietà meccaniche, che contribuiscono a garantire l'integrità strutturale della batteria, in particolare durante i cicli di carica e scarica.
4. Sicurezza: La natura solida del LATP elimina il rischio di perdite e combustione, che sono rischi comuni associati agli elettroliti liquidi. Ciò rende le batterie a base di LATP molto più sicure, soprattutto nelle applicazioni ad alta energia.
5. Stabilità termica: Il LATP rimane stabile alle alte temperature, il che è fondamentale per le batterie ad alte prestazioni che possono operare in condizioni termiche variabili.

Applicazioni dell'elettrolita solido LATP

Gli elettroliti solidi LATP si trovano più comunemente nelle batterie allo stato solido (SSB), considerate la prossima frontiera delle tecnologie di accumulo dell'energia. Queste batterie hanno il potenziale per superare le tradizionali batterie agli ioni di litio in diverse aree chiave, tra cui la densità energetica, la velocità di ricarica e la sicurezza.

1. Veicoli elettrici (EV): Le batterie allo stato solido con elettroliti LATP possono consentire una maggiore autonomia di guida e tempi di ricarica più rapidi rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Inoltre, la maggiore sicurezza delle batterie allo stato solido basate su LATP riduce il rischio di runaway termico, che può essere critico nelle applicazioni EV.
2. Elettronica portatile: Le batterie allo stato solido LATP sono in fase di studio per l'utilizzo in smartphone, computer portatili e dispositivi indossabili. La loro maggiore densità di energia consente di avere fonti di energia più piccole ed efficienti, che portano a dispositivi più leggeri e compatti.
3. Stoccaggio in rete: Le batterie allo stato solido basate su LATP hanno il potenziale per migliorare l'accumulo di energia per le fonti rinnovabili, come l'energia solare ed eolica. Queste batterie possono offrire una capacità più elevata e una durata di vita più lunga, un aspetto cruciale per le soluzioni di stoccaggio dell'energia su larga scala.
4. Dispositivi medici: La natura non infiammabile e stabile del LATP lo rende ideale per l'alimentazione di dispositivi medici che richiedono batterie affidabili e di lunga durata. La sua sicurezza e l'alta densità energetica sono particolarmente vantaggiose per i dispositivi impiantabili e i sensori.

Il LATP rispetto agli elettroliti solidi alternativi

Il LATP è un promettente elettrolita solido per le batterie agli ioni di litio a stato solido. Tuttavia, esistono elettroliti solidi alternativi che mostrano un potenziale di utilizzo in queste batterie, come ad esempio:

• Elettroliti a base di solfuro: Materiali come Li2S-P2S5 (solfuro di litio-pentasolfuro di fosforo) offrono un'elevata conducibilità ionica, spesso superiore a quella del LATP. Tuttavia, sono sensibili all'umidità, il che può limitarne l'applicazione pratica.
• Elettroliti a base di fosfati: Altri materiali fosfatici, come il Li7La3Zr2O12 (LLZO), hanno un'elevata conducibilità ionica e sono più stabili in aria rispetto ai solfuri, il che li rende una valida alternativa al LATP. Tuttavia, l'LLZO soffre di problemi legati alla formazione di dendriti e all'instabilità meccanica.
• Elettroliti a base di ossidi: Gli ossidi solidi, come il Li7La3Zr2O12 di tipo granato (LLZO) e i materiali di tipo perovskite, sono robusti e offrono una buona stabilità elettrochimica. La loro conducibilità ionica è tipicamente inferiore a quella del LATP, ma ancora accettabile per le batterie a stato solido.

Ogni tipo di materiale ha i suoi compromessi in termini di conduttività, stabilità e compatibilità con gli anodi di litio.

Conclusioni

L'elettrolita solido LATP è un materiale innovativo per lo sviluppo di batterie allo stato solido. La sua elevata conducibilità ionica, la sicurezza e la stabilità elettrochimica lo rendono una scelta eccellente per alimentare i dispositivi di prossima generazione, dai veicoli elettrici all'elettronica portatile.

Anche se ci sono ancora sfide da superare, la ricerca in corso e i progressi nella scienza dei materiali probabilmente libereranno un potenziale ancora maggiore per il LATP nel settore dell'accumulo di energia. Con la continua evoluzione delle batterie allo stato solido, si prevede che il LATP giocherà un ruolo chiave nel futuro delle tecnologie di stoccaggio dell'energia sostenibile.

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Riferimenti:

[1] Sousa, Rui & Sousa, J. A. & Ribeiro, J. & Goncalves, L.M. & Correia, J.H. (2013). Batterie allo stato solido: Una panoramica per le applicazioni biologiche. 3° Meeting portoghese di bioingegneria, ENBENG 2013 - Libro degli atti. 10.1109/ENBENG.2013.6518400.