Soluzioni migliori per batterie ricaricabili agli ioni di sodio

I dispositivi digitali, le tecnologie per le energie rinnovabili e i veicoli elettrici stanno incrementando il mercato delle batterie agli ioni di litio, ossia batterie ricaricabili ad alte prestazioni che però presentano alcuni inconvenienti. Infatti, contengono materie prime potenzialmente tossiche, possono esplodere in caso di surriscaldamento o sovraccarico e sono più costose di altre batterie ricaricabili. Un’alternativa potenzialmente interessante è la batteria agli ioni di sodio, che promette maggiore sicurezza, costi inferiori e un minore impatto negativo sull’ambiente.

Con questo obiettivo, i ricercatori sostenuti dal progetto SEED, finanziato dall’UE, si sono concentrati sugli ioni di sodio per studiare nuove combinazioni di soluzioni elettrolitiche e materiali per elettrodi. I risultati che hanno ottenuto sono stati pubblicati sulla rivista «Advanced Energy Materials».«A differenza delle batterie agli ioni di litio, che si basano sull’accumulo di ioni di litio negli elettrodi positivi e negativi della batteria, stiamo lavorando da un lato con gli ioni di sodio, presenti anche nell’economico sale da cucina, mentre dall’altro accumuliamo gli ioni di sodio insieme alla loro corte di solvente, cioè le molecole di solvente della soluzione elettrolitica che separano i due elettrodi. Ciò consente di realizzare reazioni di accumulo completamente nuove», afferma l’autore senior dello studio, il prof. Philipp Adelhelm dell’Università Humboldt di Berlino, sede del progetto SEED, in un articolo pubblicato sul sito web del Centro Helmholtz di Berlino (HZB).

L’intercalazione è il processo con cui uno ione ospite viene inserito in un reticolo ospite. Quando gli ioni vengono accumulati insieme alla loro sfera di solvatazione in un reticolo cristallino, si parla di co-intercalazione. Sebbene questo concetto fosse finora limitato all’elettrodo negativo della batteria agli ioni di sodio, il gruppo di ricerca è riuscito a estenderlo all’elettrodo positivo della batteria. Il primo autore dello studio, il dott. Guillermo Alvarez Ferrero sempre dell’Università Humboldt di Berlino, spiega: «Con il disolfuro di titanio e la grafite, abbiamo combinato per la prima volta due materiali che assorbono e rilasciano lo stesso solvente durante la carica e la scarica della batteria.»

Come riportato nella notizia, grazie all’aiuto di misurazioni operanti sul diffrattometro a dispersione di energia LIMAX-160 presso il CoreLab a raggi X dell’HZB, il gruppo ha individuato i cambiamenti che intervenivano nel materiale durante la carica e la scarica. Ciò ha permesso loro di assegnare il meccanismo di co-intercalazione all’interno della batteria. Grazie a queste nuove conoscenze hanno sviluppato la prima batteria di prova a co-intercalazione di solventi, ossia una batteria con due elettrodi che si basano entrambi sulla co-intercalazione reversibile di molecole di solvente.

«Siamo ancora agli albori della comprensione delle implicazioni delle batterie a co-intercalazione, ma ci sono alcuni possibili vantaggi che riusciamo a immaginare», osserva la coautrice dott. Katherine Mazzio dell’HZB. «Il processo di co-intercalazione potrebbe migliorare l’efficienza consentendo migliori prestazioni a basse temperature e potrebbe anche essere utilizzato per migliorare concetti di celle alternativi, come l’uso di ioni multivalenti al posto degli accumuli di Li+ o Na+, che sono particolarmente sensibili alla sfera di solvatazione.»

Il progetto quinquennale SEED (Solvated Ions in Solid Electrodes: Alternative routes toward rechargeable batteries based on abundant elements) si concluderà nel maggio 2025.

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progetto SEED