Modello per il successo: modellare elettrodi di carbonio duro per batterie di prossima generazione

Gli scienziati utilizzano composti inorganici a base di zinco per migliorare notevolmente la capacità delle batterie agli ioni di sodio e potassio.

Batterie agli ioni di litio (LIB) sono di gran lunga il tipo di batterie ricaricabili più utilizzato e coprono numerose applicazioni. Questi includono l’elettronica di consumo, i veicoli elettrici (ad esempio, le automobili Tesla), i sistemi di energia rinnovabile e i veicoli spaziali.

Sebbene le LIB offrano le migliori prestazioni sotto molti aspetti rispetto ad altre batterie ricaricabili, presentano una buona dose di svantaggi. Il litio è una risorsa piuttosto scarsa e il suo prezzo aumenterà rapidamente con la diminuzione della sua disponibilità.

Inoltre, l’estrazione del litio e le LIB scartate in modo improprio pongono enormi sfide ambientali poiché gli elettroliti liquidi comunemente utilizzati sono tossici e infiammabili.

Le carenze delle LIB hanno motivato i ricercatori di tutto il mondo a cercare tecnologie alternative di stoccaggio dell’energia. Le batterie agli ioni di sodio (Na) (NIB) e le batterie agli ioni di potassio (KIB) sono due opzioni in rapida ascesa, efficienti in termini di costi e sostenibili. Si prevede che sia i NIB che i KIB diventeranno industrie da miliardi di dollari entro la fine del decennio.

I governi di tutto il mondo, tra cui quello di Stati Uniti, Austria, Hong Kong, Germania e Australia, stanno promuovendo la ricerca e l’innovazione in questo campo. Inoltre, aziende come Faradion Limited, TIAMAT SAS e HiNa Battery Technology Co. Ltd. stanno investendo molto in questa tecnologia. Si prevede che sia Contemporary Amperex Technology Co. Limited che Build Your Dreams introdurranno presto pacchi batterie per veicoli elettrici con NIB.

Sfortunatamente, però, la capacità dei materiali degli elettrodi utilizzati nei NIB e nei KIB è ancora inferiore a quella dei LIB. In questo contesto, un gruppo di ricerca guidato dal professor Shinichi Komaba della Tokyo University Science (TUS), in Giappone, ha lavorato per sviluppare materiali innovativi per elettrodi ad alta capacità per NIB e KIB.

Nel loro ultimo studio, pubblicato in Materiali energetici avanzati il 9 novembre 2023, riferiscono di una nuova strategia di sintesi per elettrodi nanostrutturati di “carbonio duro” (HC) che offrono prestazioni senza precedenti. Lo studio è stato scritto in collaborazione con Daisuke Igarashi, Yoko Tanaka, il professore associato junior Ryoichi Tatara del TUS e il dottor Kei Kubota dell’Istituto nazionale per la scienza dei materiali (NIMS), Giappone.

Ma cos’è HC e perché è utile per NIB e KIB? A differenza di altre forme di carbonio, come il grafene o il diamante, l’HC è amorfo; manca di una struttura cristallina ben definita. Inoltre, è forte e resistente. In uno studio precedente del 2021, il Prof. Komaba e i suoi colleghi avevano trovato un modo per utilizzare l’ossido di magnesio (MgO) come modello durante la sintesi di elettrodi HC per NIB, alterandone la nanostruttura finale.

Il processo aveva portato alla formazione di nanopori all’interno degli elettrodi dopo la rimozione di MgO, che, a sua volta, aveva notevolmente aumentato la loro capacità di immagazzinare Na⁺ ioni.

Motivati ​​dalle loro scoperte precedenti, i ricercatori hanno esplorato se i composti costituiti da zinco (Zn) e calcio (Ca) potessero essere utili anche come nano-modelli per elettrodi HC. A tal fine, hanno studiato sistematicamente diversi campioni di HC realizzati utilizzando ossido di zinco (ZnO) e carbonato di calcio (CaCO₃) e hanno confrontato le loro prestazioni con quelle sintetizzate utilizzando l’ossido di magnesio (MgO).

Esperimenti preliminari hanno dimostrato che ZnO era particolarmente promettente per l’elettrodo negativo dei NIB. Di conseguenza, i ricercatori hanno ottimizzato la concentrazione di ZnO incorporato nella matrice HC durante la sintesi, dimostrando una capacità reversibile di 464 mAh g^–1 (corrispondente a NaC_4.8) con un’elevata efficienza coulombiana iniziale del 91,7% e un potenziale medio basso di 0,18 V rispetto a Na⁺/N / a.

Il team ha ottenuto risultati notevoli incorporando questo potente materiale per elettrodi in una vera batteria. “Il NIB fabbricato utilizzando l’HC ottimizzato con modello ZnO come elettrodo negativo ha mostrato una densità di energia di 312 Wh kg^–1“,” sottolinea il prof. Komaba.

“Questo valore è equivalente alla densità energetica di alcuni tipi di LIB attualmente commercializzati con LiFePO₄ e grafite ed è più di 1,6 volte la densità energetica dei primi NIB (192 Wh kg^–1), che il nostro laboratorio ha segnalato nel 2011.” In particolare, l’HC basato su ZnO ha mostrato anche una capacità significativa di 381 mAh g^–1 quando incorporato in un KIB, mostrando ulteriormente il suo potenziale.

Nel loro insieme, i risultati di questo studio mostrano che l’utilizzo di nanoparticelle inorganiche come modello per controllare la struttura dei pori può fornire una linea guida efficace per lo sviluppo di elettrodi HC. “I nostri risultati dimostrano che gli HC sono candidati promettenti per gli elettrodi negativi come alternativa alla grafite”, conclude il prof. Komaba.

Modellare il carbonio duro per ottenere elettrodi di eccezionale capacità per batterie agli ioni di sodio: è possibile incorporare nanopori nel carbonio duro utilizzando l’ossido di zinco come modello durante la sua sintesi. Questi pori consentono al materiale di immagazzinare molti più portatori di carica, rendendolo un promettente candidato elettrodo per batterie agli ioni di sodio che possono raggiungere una densità di energia paragonabile a quella delle batterie agli ioni di litio di tipo LiFePO4. Credito immagine: Shinichi Komaba di TUS Japan

A sua volta, ciò potrebbe rendere i NIB praticabili per applicazioni pratiche, come lo sviluppo di elettronica di consumo e veicoli elettrici sostenibili, nonché sistemi di stoccaggio energetico a basso impatto di carbonio per immagazzinare energia da parchi solari ed eolici.

Fonte: Università delle Scienze di Tokio