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  • Il nuovo elettrolita agli ioni di sodio può trovare impiego nelle batterie a stato solido

    Un team interdisciplinare ha scoperto una nuova struttura di un materiale che potrebbe un giorno sostituire i materiali utilizzati nelle batterie ricaricabili dell'elettronica di consumo. Credito:Penn State

    Una struttura recentemente scoperta di un materiale a base di sodio consente di utilizzare i materiali come elettrolita nelle batterie a stato solido, secondo i ricercatori del Penn State e del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Il team sta mettendo a punto il materiale utilizzando un approccio progettuale iterativo che sperano possa ridurre anni di tempo dalla ricerca all'uso quotidiano.

    L'elettrolita, una delle tre parti principali di una batteria, è responsabile del trasferimento di ioni carichi in una batteria a stato solido. Questo crea una corrente elettrica una volta che le altre due parti della batteria, l'anodo e il catodo, sono collegati in un circuito.

    La maggior parte delle batterie ricaricabili negli smartphone, computer e altri dispositivi elettronici di consumo utilizzano un liquido, elettrolita a base di litio.

    "Gli elettroliti liquidi hanno problemi di sicurezza perché sono infiammabili, " ha detto Donghai Wang, professore associato di ingegneria meccanica, Penn State. "Questa è stata la nostra forza trainante per trovare un buon materiale da utilizzare nelle batterie a stato solido".

    Il nuovo materiale del team è composto da sodio, fosforo, stagno e zolfo e ha una forma cristallina tetragonale. ha dei difetti, o spazi dove un certo sodio, gli atomi di stagno e zolfo sarebbero, e questi gli consentono di trasferire ioni.

    Poiché il sodio è molto più abbondante del litio, una batteria agli ioni di sodio sarebbe potenzialmente molto più economica da produrre rispetto a una batteria agli ioni di litio. Il materiale sarebbe anche più sicuro da usare.

    "Il nostro materiale ha un'ampia finestra di tensione e un'elevata stabilità termica, " disse Zhaoxin Yu, ricercatore post-dottorato in ingegneria meccanica e nucleare, Penn State. "Quando riscaldi elettroliti liquidi fino a 150 gradi Celsius (302 gradi Fahrenheit), prenderanno fuoco o rilasceranno molto calore che potrebbe danneggiare altre batterie o componenti elettronici. Il nostro materiale si comporta bene fino a 400 gradi Celsius (752 gradi Fahrenheit)."

    La squadra ha riportato in Nano energia che il loro materiale ha una conduttività ionica a temperatura ambiente circa un decimo di quella degli elettroliti liquidi utilizzati nelle batterie odierne. L'importante scoperta, loro hanno detto, è la configurazione specifica dei difetti all'interno della struttura cristallina.

    Zhaoxin Yu, ricercatore post-dottorato in ingegneria meccanica e nucleare, mette insieme i componenti di una batteria. Credito:Penn State

    "La nostra scoperta di questa nuova struttura di questo materiale ci mostra anche che esiste un percorso per creare una nuova famiglia di conduttori superionici avanzati agli ioni di sodio, " disse Shun-Li Shang, professore di scienza e ingegneria dei materiali, Penn State.

    Il team ha creato e testato questa nuova batteria nel laboratorio di Wang, che fa parte del Battery and Energy Storage Technology Center di Penn State. Utilizzando il loro processo di progettazione collaborativa, il team è stato in grado di identificare come diverse formazioni cristalline, così come le incongruenze nel materiale, hanno influito sulle sue prestazioni.

    "Se non hai questo set di strumenti, sarebbe difficile fare un passo avanti, " disse Zi-Kui Liu, illustre professore di scienza e ingegneria dei materiali, Penn State. "Il nostro approccio che utilizza sia il calcolo che gli esperimenti ci consente di analizzare il motivo per cui i materiali si comportano diversamente. Ciò renderà le cose più veloci per il prossimo ciclo di progettazione perché sappiamo cosa dobbiamo controllare per migliorare il trasporto di ioni".

    Una parte della modellazione del team ha avuto luogo su supercomputer ospitati dal Penn State's Institute for CyberScience.


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