Gli scienziati hanno progettato un nuovo tipo di catodo che potrebbe rendere più fattibile la produzione di massa di batterie al sodio. Le batterie a base di sodio in abbondanza e a basso costo sono di grande interesse sia per gli scienziati che per l'industria in quanto potrebbero facilitare un processo di produzione più efficiente in termini di costi per i sistemi di stoccaggio dell'energia su scala di rete, elettronica di consumo e veicoli elettrici. La scoperta è stata uno sforzo collaborativo tra i ricercatori dell'Istituto di chimica (IOC) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) e il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Le batterie al litio si trovano comunemente nell'elettronica di consumo come smartphone e computer portatili, ma negli ultimi anni, anche l'industria dei veicoli elettrici ha iniziato a utilizzare batterie al litio, aumentando significativamente la domanda sulle risorse di litio esistenti.

"Proprio l'anno scorso, il prezzo del carbonato di litio è triplicato, perché il mercato cinese dei veicoli elettrici ha iniziato a crescere, " disse Xiao-Qing Yang, un fisico presso la divisione di chimica del Brookhaven Lab e il ricercatore capo Brookhaven in questo studio.

Inoltre, lo sviluppo di nuove reti elettriche che incorporano fonti di energia rinnovabile come l'eolico e il solare sta anche determinando la necessità di nuove chimiche delle batterie. Poiché queste fonti di energia non sono sempre disponibili, sono necessari sistemi di accumulo di energia su scala di rete per immagazzinare l'energia in eccesso prodotta quando splende il sole e soffia il vento.

Gli scienziati hanno cercato nuove sostanze chimiche per le batterie utilizzando materiali più facilmente disponibili del litio. Il sodio è una delle opzioni più desiderabili per i ricercatori perché esiste quasi ovunque ed è molto meno tossico per l'uomo rispetto al litio.

Ma il sodio pone grandi sfide quando viene incorporato in un design tradizionale della batteria. Per esempio, il catodo di una batteria tipica è costituito da metallo e ioni di ossigeno disposti in strati. Quando esposto all'aria, i metalli nel catodo di una batteria al sodio possono essere ossidati, diminuendo le prestazioni della batteria o addirittura rendendola completamente inattiva.

I ricercatori del CIO del CAS e della Jiangxi Normal University hanno cercato di risolvere questo problema sostituendo diversi tipi di metalli nel catodo e aumentando lo spazio tra questi metalli. Quindi, utilizzando la linea di luce Inner-Shell Spectroscopy (ISS) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, i ricercatori di Brookhaven hanno confrontato le strutture dei materiali delle batterie con materiali non sostituiti con questi nuovi materiali delle batterie con metalli sostitutivi .

"Utilizziamo la linea di luce per determinare come i metalli nel materiale del catodo cambiano gli stati di ossidazione e come si correla con l'efficienza e la durata della struttura della batteria, "dice Eli Stavitski, un fisico alla linea di luce della ISS."

La linea di luce della ISS è stata la prima linea di luce di spettroscopia a raggi X operativa presso NSLS-II. Qui, i ricercatori fanno brillare un raggio di raggi X ultra brillante attraverso i materiali per osservare come la luce viene assorbita o riemessa. Queste osservazioni consentono ai ricercatori di studiare la struttura di diversi materiali, compresi i loro stati chimici ed elettronici.

La linea di luce dell'ISS, che è specificamente progettato per esperimenti ad alta velocità, ha permesso ai ricercatori di misurare i cambiamenti in tempo reale nella batteria durante i processi di carica-scarica. Sulla base delle loro osservazioni fatte alla linea di luce, Il team di Brookhaven ha scoperto che l'ossidazione è stata soppressa nelle batterie al sodio con metalli sostituiti, indicando che le batterie al sodio di nuova concezione erano stabili se esposte all'aria. Questo è un importante passo avanti per consentire la futura produzione di massa di batterie al sodio.

I ricercatori affermano che questo studio è il primo di molti che utilizzeranno la linea di luce della ISS a NSLS-II per far progredire lo studio delle batterie.