ZnBTCA, l’elettrolita MOF flessibile per batterie allo stato solido

Un gruppo di ricercatori della Rice University e del Rice Advanced Materials Institute ha sviluppato ZnBTCA, un materiale cristallino poroso relativamente morbido e flessibile, progettato per trasportare selettivamente gli ioni di litio. Lo studio, pubblicato su Chemical Science, propone un nuovo approccio agli elettroliti solidi basati su strutture metallo-organiche.

L’obiettivo del lavoro è riunire nello stesso materiale due proprietà: il movimento selettivo degli ioni e una maggiore adattabilità meccanica. Quest’ultima viene considerata dai ricercatori come un ulteriore parametro di progettazione, accanto alla composizione chimica, alla carica e alla struttura dei pori.

Un legante alifatico rende più flessibile la struttura

ZnBTCA è una struttura metallo-organica, o MOF, costituita da atomi metallici collegati attraverso molecole organiche. Questi materiali presentano canali ordinati che possono essere configurati per trattenere o trasportare specifiche molecole e determinati ioni.

Molte MOF studiate come elettroliti impiegano leganti aromatici relativamente rigidi. ZnBTCA adotta invece un legante alifatico flessibile, con uno scheletro a catena carboniosa che rende l’intera struttura più morbida e meccanicamente adattabile. Tra i componenti utilizzati figurano lo zinco e un legante alifatico descritti come relativamente abbondanti e a basso costo.

Secondo Zina Deriche, prima autrice dello studio, la progettazione degli elettroliti MOF tende spesso a concentrarsi sull’efficacia del trasporto ionico. Il lavoro indica invece che anche le proprietà meccaniche della struttura possono rappresentare un elemento rilevante.

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Il trasporto selettivo degli ioni di litio

La struttura di ZnBTCA ha carica negativa e favorisce il passaggio nei suoi canali degli ioni di litio, dotati di carica positiva. Dopo avere sostituito con litio gli ioni di sodio presenti nel materiale, i ricercatori hanno rilevato che circa il 95% degli ioni mobili di compensazione della carica era costituito da litio. Durante questo processo, la struttura del materiale è rimasta intatta.

Le misurazioni hanno inoltre mostrato che gli ioni di litio trasportavano circa il 79% della corrente ionica attraverso il materiale. Stavroula Alina Kampouri, autrice corrispondente dello studio, ha evidenziato come ZnBTCA combini il trasporto selettivo con una struttura più morbida e adattabile.

Per quanto a conoscenza del gruppo di ricerca, ha dichiarato Sibani Lisa Biswal, ZnBTCA sarebbe il primo elettrolita MOF realizzato con un legante alifatico dotato di uno scheletro flessibile a catena carboniosa. Si tratta di un primato rivendicato dai ricercatori e non verificato attraverso fonti indipendenti.

Quasi 300 ore tra elettrodi di litio metallico

Il team ha incorporato ZnBTCA in una membrana di elettrolita solido, collocandola tra due elettrodi di litio metallico. Le celle hanno operato stabilmente per quasi 300 ore, mentre i ricercatori aumentavano progressivamente la corrente.

Nel corso della prova non sono emerse evidenze di cortocircuito, limitatamente alle condizioni sperimentali adottate. Le informazioni disponibili non specificano nel dettaglio tali condizioni, quindi il risultato non può essere esteso oltre il contesto dei test descritti.

I ricercatori ritengono che la flessibilità meccanica possa diventare un altro strumento per sviluppare elettroliti MOF destinati alle batterie allo stato solido. Lo studio, intitolato Intrinsic linker flexibility in an anionic metal–organic framework electrolyte for selective lithium-ion conduction, è stato pubblicato nel 2026 con DOI 10.1039/d6sc06134f.

Una domanda per voi

Quali proprietà dovrebbe privilegiare la ricerca sugli elettroliti solidi: trasporto ionico, adattabilità meccanica o una combinazione delle due?

Nota sulla redazione: questo articolo è stato realizzato con il supporto di EVA AI.