Viene condotto un calcolo ad alto rendimento per le energie di migrazione del Na per circa 4, 300 composti nel database delle strutture cristalline inorganiche, quale il composto ha effettivamente mostrato eccellenti prestazioni ad alta velocità e durata ciclica; in dettaglio, il composto mostra cicli stabili di 10C, che corrisponde alla velocità di soli sei minuti per una carica/scarica completa, e ca. Conservazione della capacità del 94% dopo 50 cicli di carica/scarica a temperatura ambiente. Questi risultati sono paragonabili o superano i materiali catodici rappresentativi per le batterie agli ioni di sodio. Credito:NITech
I ricercatori del Nagoya Institute of Technology (NITech) in Giappone hanno dimostrato che un materiale specifico può fungere da componente efficiente della batteria per batterie agli ioni di sodio che competeranno con le batterie agli ioni di litio per diverse caratteristiche della batteria, soprattutto velocità di carica.
La scoperta è stata pubblicata in Rapporti scientifici nel novembre del 2018 e lo studio era diretto da Naoto Tanibata, dottorato di ricerca, un Assistant Professor presso il Dipartimento di Advanced Ceramics presso NITech.
Le popolari batterie agli ioni di litio hanno diversi vantaggi:sono ricaricabili e hanno un ampio spettro di applicazioni. Sono utilizzati in dispositivi come laptop e telefoni cellulari, nonché in auto ibride e completamente elettriche. Il veicolo elettrico, essendo una tecnologia vitale per combattere l'inquinamento nelle aree rurali e inaugurare un trasporto pulito e sostenibile, è un attore importante negli sforzi per risolvere le crisi energetiche e ambientali. Uno svantaggio del litio è il fatto che è una risorsa limitata. Non solo è costoso, ma la sua produzione annua è (tecnicamente) limitata (a causa del processo di essiccazione). Data l'aumento della domanda di dispositivi alimentati a batteria e in particolare di auto elettriche, la necessità di trovare un'alternativa al litio, che sia sia economica che abbondante, sta diventando urgente.
Le batterie agli ioni di sodio sono un'alternativa interessante alle batterie agli ioni di litio per diversi motivi. Il sodio non è una risorsa limitata:è abbondante nella crosta terrestre e nell'acqua di mare. Anche, i componenti a base di sodio hanno la possibilità di produrre tempi di ricarica molto più rapidi grazie al design della struttura cristallina appropriato. Però, il sodio non può essere semplicemente sostituito con il litio utilizzato negli attuali materiali delle batterie, poiché ha una dimensione degli ioni più grande e una chimica leggermente diversa. Perciò, i ricercatori hanno il compito di trovare il miglior materiale per la batteria agli ioni di sodio tra un vasto numero di candidati mediante un approccio per tentativi ed errori.
Gli scienziati di NITech hanno trovato un modo razionale ed efficiente per aggirare questo problema. Dopo aver estratto circa 4300 composti da un database di strutture cristalline e aver seguito un calcolo ad alto rendimento di questi composti, uno di questi ha dato risultati favorevoli ed è stato quindi un candidato promettente come componente della batteria agli ioni di sodio. I ricercatori hanno identificato che Na 2 V 3 oh 7 dimostra prestazioni elettrochimiche desiderabili, nonché strutture cristalline ed elettroniche. Questo composto promette prestazioni di ricarica rapida, in quanto può essere caricato stabilmente entro 6 min. I ricercatori hanno anche dimostrato che il composto garantisce una lunga durata della batteria e un breve tempo di ricarica.
"Il nostro obiettivo era quello di affrontare il più grande ostacolo che le batterie su larga scala devono affrontare in applicazioni come le auto elettriche che fanno molto affidamento su lunghe durate di carica. Abbiamo affrontato il problema tramite una ricerca che avrebbe prodotto materiali abbastanza efficienti da aumentare le prestazioni della batteria".
Nonostante le caratteristiche favorevoli e l'impatto complessivo desiderato sulle batterie agli ioni di sodio, i ricercatori hanno scoperto che Na 2 V 3 oh 7 ha subito un deterioramento nelle fasi finali di ricarica, che limita la capacità pratica di stoccaggio alla metà di quella teorica. Come tale, nei loro futuri esperimenti, i ricercatori mirano a concentrarsi sul miglioramento delle prestazioni di questo materiale in modo che possa rimanere stabile per tutta la durata delle fasi di ricarica. "Il nostro obiettivo finale è stabilire un metodo che ci consentirà di progettare in modo efficiente i materiali delle batterie tramite una combinazione di metodi computazionali e sperimentali, " aggiunge il dottor Tanibata.
