Abstract
La maggior parte delle tecnologie umane richiede energia, che deve essere convertita, immagazzinata e rilasciata in modo efficiente ed ecologico. I dispositivi elettrochimici di accumulo dell'energia (EES), come le batterie e i supercapacitori, svolgono questa funzione. Convertono l'energia elettrica in energia chimica e viceversa. Tale conversione avviene tramite reazioni redox che hanno luogo sugli elettrodi messi a contatto con un elettrolita. La capacità degli elettrodi di scambiare in modo efficiente elettroni e ioni su scala atomica controlla in ultima analisi le prestazioni del dispositivo. Tale caratteristica dipende dalle proprietà dei materiali di cui sono costituiti gli elettrodi, come la struttura (dalla scala molecolare a quella microscopica), i potenziali di ossido-riduzione e la conducibilità elettronica e ionica. Le leghe inorganiche a base di litio sono elettrodi tradizionali per le batterie, soprattutto grazie alle loro eccellenti prestazioni elettrochimiche. Tuttavia, esse sono composte da elementi tossici (cobalto) e la loro produzione comporta una drammatica impronta ambientale. Le alternative “verdi” emergenti per i materiali degli elettrodi, che siano sia sostenibili che versatili, sono i materiali redox organici π-coniugati. Tali materiali sono sistemi promettenti per la realizzazione di dispositivi EES ecologici (batterie organiche), ma hanno prestazioni inferiori rispetto agli elettrodi inorganici. Attualmente manca un'indagine completa, condotta dal basso verso l'alto (approccio bottom-up), che correli le proprietà strutturali e di trasporto misto elettronico-ionico su scala molecolare. Tale mancanza ostacola lo sviluppo di tali materiali. Il progetto mira a colmare questa lacuna di conoscenza attraverso una strategia bottom-up che comprende l'uso di metodi computazionali all'avanguardia, abbinati ad approcci sperimentali sintetici complementari e a tecniche di caratterizzazione spettroscopica. L'obiettivo è razionalizzare, modellare e prevedere le complesse relazioni struttura-proprietà che regolano il funzionamento degli elettrodi organici dalla scala molecolare a quella microscopica. In particolare, il progetto ha tre obiettivi principali: 1) svelare le interazioni non covalenti all'interno e tra i sistemi redox organici coniugati e gli ioni/contro-metalli, attraverso metodi teorici e spettroscopici di alto livello; 2) modellare le proprietà strutturali e di trasporto misto elettronico-ionico allo stato solido; 3) ricavare relazioni struttura-proprietà per progettare e sintetizzare materiali organici ad alta efficienza per applicazioni EES con basso impatto ambientale. Questo approccio è urgente e non è mai stato realizzato prima. Il progetto aprirà nuove sfide e avrà un significativo impatto su campi interdisciplinari, che vanno dalle batterie organiche alle applicazioni termoelettriche, biomimetiche e neuromorfiche.
Responsabile scientifico del Dipartimento
Daniele Fazzi (Team leader, responsabile nazionale)
Partnership
Università degli studi di Perugia – Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie