Nella battaglia delle batterie, la tecnologia agli ioni di litio è il campione in carica, alimentando quel cellulare in tasca e un numero crescente di veicoli elettrici sulla strada.

Ma un nuovo materiale a base di manganese e ioni di sodio sviluppato presso l'Università del Texas a Dallas, in collaborazione con la Seoul National University, potrebbe diventare un contendente, offrendo un costo potenzialmente inferiore, un'opzione più ecologica per alimentare i dispositivi di nuova generazione e le auto elettriche.

Il costo della batteria è un problema sostanziale, ha detto il dottor Kyeongjae Cho, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science e autore senior di un articolo che descrive il nuovo materiale nella rivista Materiale avanzato .

Poiché i produttori e i consumatori spingono per più veicoli elettrici (EV), la produzione di litio può avere difficoltà a tenere il passo con l'aumento della domanda, disse Cho. Secondo un recente rapporto dell'Agenzia internazionale per l'energia, lo stock globale di auto elettriche ha superato i 2 milioni di veicoli nel 2016 dopo aver superato la soglia di 1 milione nel 2015. Il rapporto rileva che, a seconda del contesto politico, ci sono buone probabilità che oscillerà tra 9 milioni e 20 milioni entro il 2020 e tra 40 milioni e 70 milioni entro il 2025.

In termini di risparmio sui costi della batteria EV, usare il sodio sarebbe meno costoso perché il sodio è più abbondante, ma ha alcuni inconvenienti.

"Il litio è più costoso, risorsa limitata che deve essere estratta da poche aree del globo, " Cho ha detto. "Non ci sono problemi di estrazione del sodio:può essere estratto dall'acqua di mare. Sfortunatamente, anche se le batterie agli ioni di sodio potrebbero essere meno costose di quelle che utilizzano il litio, il sodio tende a fornire il 20% in meno di densità energetica rispetto al litio".

La densità energetica, o capacità di accumulo di energia, di una batteria determina il tempo di funzionamento di un dispositivo.

"Abbiamo utilizzato la nostra esperienza precedente e abbiamo riflettuto su questi problemi:come possiamo combinare queste idee per trovare qualcosa di nuovo per risolvere il problema?" disse Cho.

Una batteria è costituita da un elettrodo positivo, o anodo; un elettrodo negativo, o catodo; e un elettrolita in mezzo. In una normale batteria agli ioni di litio, il catodo è fatto di litio, cobalto, nichel e ossigeno, mentre l'anodo è in grafite, un tipo di carbonio. Quando la batteria si carica, gli ioni di litio si muovono attraverso l'elettrolita verso l'anodo e si attaccano al carbonio. Durante la dimissione, gli ioni di litio tornano al catodo e forniscono energia elettrica per far funzionare i dispositivi.

"Molti anni fa c'era una grande speranza nell'usare l'ossido di manganese nei catodi delle batterie agli ioni di litio per aumentare la capacità, ma sfortunatamente, quella combinazione diventa instabile, " disse Cho.

Nel design sviluppato da Cho e dai suoi colleghi, il sodio sostituisce la maggior parte del litio nel catodo, e il manganese viene utilizzato al posto degli elementi più costosi e più rari cobalto e nichel.

"Il nostro materiale agli ioni di sodio è più stabile, ma mantiene ancora l'elevata capacità energetica del litio, " Cho ha detto. "E crediamo che questo sia scalabile, che è il punto centrale della nostra ricerca. Vogliamo realizzare il materiale in modo tale che il processo sia compatibile con la produzione di massa commerciale".

Sulla base della loro conoscenza della fisica e della chimica di altri materiali sperimentali, i ricercatori hanno affrontato il problema con la progettazione razionale dei materiali. Hanno prima eseguito simulazioni al computer per determinare la configurazione degli atomi che mostravano le maggiori promesse prima di produrre e testare il materiale in laboratorio.

Cho ha detto che la sua ricerca non riguarda solo la ricerca di una batteria migliore. Il modo in cui è stata condotta la ricerca è altrettanto importante e interessante, Egli ha detto.

"Quando Thomas Edison stava cercando di sviluppare una lampadina, ha provato migliaia di materiali diversi per il filamento per vedere quali funzionavano, " Cho ha detto. "Per risolvere problemi di ingegneria molto importanti nella società di oggi, dobbiamo sviluppare molti nuovi materiali:materiali per batterie, materiali per il controllo dell'inquinamento e altri. Edison stava perfezionando un oggetto, la lampadina, ma abbiamo molte più esigenze tecnologiche. Non abbiamo tempo per continuare a cercare di trovare accidentalmente la soluzione".