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Uno studio fornisce nuove indicazioni per la progettazione delle batterie agli ioni di sodio, che stanno emergendo come complemento meno costoso e più rispettoso dell’ambiente delle batterie a base di litio.
Batteria – foto illustrativa. Credito immagine: Pixabay (Licenza gratuita Pixabay)
Con l’aumento della necessità mondiale di stoccaggio dell’energia, le batterie agli ioni di sodio stanno emergendo come complemento meno costoso e più rispettoso dell’ambiente delle batterie a base di litio. La ricerca condotta dagli ingegneri della Brown University getta nuova luce su come si comporta il sodio all’interno di queste batterie, fornendo nuove specifiche di progettazione per i materiali anodici che massimizzano la stabilità e la densità di energia per le batterie agli ioni di sodio.
“Questo lavoro ci aiuta a comprendere il meccanismo di stoccaggio del sodio nei materiali di carbonio per le batterie agli ioni di sodio”, ha affermato Lincoln Mtemeri, ricercatore presidenziale post-dottorato in ingegneria alla Brown che ha guidato lo studio. “Ciò fornisce alcune linee guida per sintetizzare i materiali anodici desiderati per queste batterie che massimizzano le prestazioni complessive”.
La ricerca è pubblicata in Batterie EES.
Le batterie agli ioni di litio fanno attualmente la parte del leone nei dispositivi elettronici ricaricabili e nei veicoli elettrici. Funzionano bene, ma la crescente domanda di stoccaggio dell’energia, in particolare per aggiungere resilienza alle reti elettriche, richiede opzioni aggiuntive. Gli ioni di sodio offrono un’alternativa con alcuni importanti vantaggi potenziali. Il sodio è economico e abbondante, il che potrebbe ridurre i costi di produzione e la necessità di attività minerarie distruttive.
La commercializzazione delle batterie agli ioni di sodio, tuttavia, è agli inizi e i ricercatori stanno ancora modificando il design di base. Una domanda in sospeso è quale struttura del materiale funzioni meglio come anodo di ioni di sodio, il lato della batteria che immagazzina gli atomi di sodio durante la ricarica. Gli anodi agli ioni di litio sono generalmente realizzati in grafite, ma la ricerca ha dimostrato che la grafite ha scarse prestazioni per lo stoccaggio del sodio. Così gli scienziati si sono rivolti al “carbonio duro”, un materiale che può essere prodotto riscaldando un numero qualsiasi di materiali contenenti carbonio, dal legno allo zucchero.
“Se chiedi a 10 persone diverse qual è la struttura del carbonio duro, otterrai 10 risposte diverse”, ha detto Yue Qi, professore alla Brown’s School of Engineering e coautore dello studio. “Le strutture ambigue rappresentano un grosso problema per la progettazione dei materiali anodici a causa della mancanza di conoscenza del rapporto struttura-proprietà”.
Qi è il vicedirettore di Brown’s Iniziativa per l’energia sostenibile, che si concentra sullo sviluppo di energie rinnovabili, combustibili e materiali sostenibili e tecnologie di efficienza energetica.
Precedenti ricerche suggeriscono che l’immagazzinamento del sodio probabilmente avviene in minuscoli pori che si formano nelle strutture di carbonio duro. Ma non si sapeva esattamente come avvenisse tale immagazzinamento, o come la dimensione dei pori potesse migliorarlo. Per questo nuovo studio, Mtemeri ha studiato un materiale di carbonio noto come carbonio zeolite-templato (ZTC), che può essere realizzato con una rete ben definita di nanopori. Utilizzando ZTC come modello per la struttura dei pori di carbonio duro e un algoritmo personalizzato per simulare il riempimento dei pori, Mtemeri ha utilizzato una tecnica computazionale chiamata teoria del funzionale della densità per studiare il comportamento del sodio all’interno dei nanopori.
La ricerca ha dimostrato che quando gli atomi di sodio gravitano nei pori, prima rivestono le pareti di ciascun poro con legami ionici. Dopo che le pareti sono state coperte, ulteriori atomi di sodio riempiono il centro del poro in ammassi metallici. La duplice modalità di stoccaggio del sodio – ionica lungo le pareti e metallica verso il centro dei pori – è fondamentale, affermano i ricercatori. Il sodio misto ionico e metallico aiuta a mantenere bassa la tensione anodica, il che aumenta la tensione complessiva della batteria (la tensione complessiva di una batteria è uguale alla tensione catodica meno la tensione anodica, quindi una tensione anodica inferiore è migliore). Nel frattempo, il sodio ionico previene la placcatura del metallo di sodio, una condizione che può creare cortocircuiti tra i pori dell’anodo.
“Questo ci aiuta a determinare la dimensione ottimale dei pori”, ha detto Mtemeri. “Abbiamo dimostrato che una dimensione dei pori di circa un nanometro mantiene il buon equilibrio tra ionicità e metallicità che desideriamo”.
I risultati, dicono i ricercatori, offrono alcune delle prime specifiche di progettazione concreta per realizzare anodi di carbonio duro – o qualsiasi materiale di carbonio con questo tipo di struttura porosa – in laboratorio. Ciò potrebbe aiutare ad aprire la strada al futuro uso commerciale delle batterie agli ioni di sodio.
“Il sodio è 1.000 volte più abbondante del litio, il che lo rende un’opzione più sostenibile”, ha affermato Qi. “Ora capiamo esattamente quali caratteristiche dei pori sono importanti e questo ci consente di progettare i materiali anodici di conseguenza”.
Fonte: Università Marrone
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Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org