La batteria agli ioni di sodio che compete con quelle agli ioni di litio

Una nuova batteria che potrebbe fare a meno di materiali rari e problematici come litio e cobalto

[9 Giugno 2020]

I ricercatori dell’università tecnologica di Pechino, della Washington State University (WSU) e del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno creato una batteria agli ioni di sodio che stocca molta energia e funziona come le batterie agli ioni di litio in commercio, rendendo potenzialmente possibile realizzare batterie con materiali abbondanti ed economici.

Lo studio “Controlling Surface Phase Transition and Chemical Reactivity of O3-Layered Metal Oxide Cathodes for High-Performance Na-Ion Batteries” pubblicato su ACS Energy Letters dal team guidato da Xiaolin Li, ricercatore senior del PNNL, illustra una delle migliori performance realizzate fino ad oggi per una batteria agli ioni di sodio, in grado di fornire energia come alcune batterie agli ioni di litio e di ricaricarsi con successo, mantenendo oltre l’80% sua carica dopo 1.000 cicli.

Imre Gyuk, direttore del’ Department of Energy’s Office of Electricity  della WSU che ha supportato il lavoro del PNNL, sottolinea che  «Questo è uno sviluppo importante per le batterie agli ioni di sodio. C’è un grande interesse per il potenziale di sostituzione delle batterie Li-ion con le batterie Na-ion in molte applicazioni».

Le batterie agli ioni di litio sono onnipresenti, utilizzate sempre di più per i telefoni cellulari, laptop e veicoli elettrici, ma sono realizzate con materiali, come il cobalto e il litio, che sono rari, costosi e si trovano soprattutto al di fuori degli Stati Uniti e dell’Unione europea, in Paesi come, nel caso del cobalto, nella Repubblica democratica del Congo, dove il loro sfruttamento provoca guerre e guerriglie, disastri ambientali e infinite sofferenze.

Alla WSU ricordano che «Con l’aumentare della domanda di veicoli elettrici e di stoccaggio di elettricità, questi materiali diventeranno più difficili da ottenere e forse più costosi. Con le batterie al litio sarebbe anche problematico soddisfare l’enorme e crescente domanda di accumulo di energia per la rete elettrica».

Per questo, le batterie agli ioni di sodio, prodotte con sodio economico, abbondante e sostenibile negli oceani o nella crosta terrestre, potrebbero essere un buona alternativa per l’immagazzinamento di energia su vasta scala. Sfortunatamente, non stoccano la stessa energia delle batterie al litio. Hanno anche difficoltà a ricaricarsi velocemente come sarebbe necessario per un efficace accumulo di energia. «Un problema chiave per alcuni dei materiali catodici più promettenti – spiegano i ricercatori – è che sulla superficie del catodo si accumula uno strato di cristalli di sodio inattivi, arrestando il flusso di ioni sodio e, di conseguenza, mettendo fuori combattimento la batteria».

IL principale autore dello studio Junhua Song, che ora è al Lawrence Berkeley National Laboratory, evidenzia che «La sfida principale da risolvere è che la batteria abbia sia un’alta densità di energia che una buona durata del ciclo».

Il team di ricerca ha creato un catodo a ossido di metallo a strati e un elettrolita liquido che includeva ioni di sodio extra, creando una “zuppa” più salata che aveva una migliore interazione con il loro catodo. Questo catodo e il sistema elettrolitico hanno permesso il continuo movimento degli ioni sodio, prevenendo l’accumulo di cristalli superficiali inattivi e consentendo una produzione di elettricità senza ostacoli.

Un altro autore dello studio, Yuehe Lin della WSU, sottolinea che «La nostra ricerca ha rivelato la correlazione essenziale tra evoluzione della struttura del catodo e interazione superficiale con l’elettrolita. Questi sono i migliori risultati mai registrati per una batteria agli ioni di sodio con un catodo a strati, dimostrando che questa è una tecnologia praticabile che può essere paragonabile alle batterie agli ioni di litio».

Ora il tema di ricercatori sino-statunitense cercando di comprendere meglio l’importante interazione tra il loro elettrolita e il catodo, in modo che possano lavorare con materiali diversi per migliorare il design della batteria.

Song  conclude: «Questo lavoro apre la strada a batterie agli ioni di sodio commerciali e le intuizioni fondamentali che abbiamo acquisito sull’interazione catodico-elettrolita fanno luce su come potremmo sviluppare futuri materiali catodici privi di cobalto o a basso contenuto di cobalto nelle batterie agli ioni di sodio e in altri tipi di prodotti chimici per batterie. Se riusciamo a trovare alternative praticabili sia al litio che al cobalto, la batteria agli ioni di sodio potrebbe davvero essere competitiva con le batterie agli ioni di litio. E questo sarebbe un punto di svolta».