Le batterie alimentano le nostre vite:ci affidiamo a loro per mantenere in funzione i nostri telefoni cellulari e laptop e le nostre auto ibride ed elettriche sulla strada. Ma l'adozione sempre maggiore delle batterie agli ioni di litio più comunemente utilizzate può effettivamente portare a un aumento dei costi e a potenziali carenze di litio, motivo per cui le batterie agli ioni di sodio sono oggetto di intense ricerche come possibile sostituzione. si comportano bene, e sodio, un metallo alcalino strettamente correlato al litio, è economico e abbondante.

La sfida? Le batterie agli ioni di sodio hanno una durata inferiore rispetto alle loro sorelle a base di litio.

Ora, Lo scienziato dei materiali computazionali della UC Santa Barbara Chris Van de Walle e colleghi hanno scoperto una ragione di questa perdita di capacità nelle batterie al sodio:la presenza involontaria di idrogeno, che porta alla degradazione dell'elettrodo della batteria. Van de Walle e i coautori Zhen Zhu e Hartwin Peelaers hanno pubblicato le loro scoperte sulla rivista Chimica dei materiali .

"L'idrogeno è comunemente presente durante la fabbricazione del materiale del catodo, oppure può essere incorporato dall'ambiente o dall'elettrolita, " disse Zhu, chi è ora in Google. "È noto che l'idrogeno influenza fortemente le proprietà dei materiali elettronici, quindi eravamo curiosi del suo effetto su NaMnO ₂ (biossido di sodio manganese), un materiale catodico comune per le batterie agli ioni di sodio." Per studiare questo, i ricercatori hanno utilizzato tecniche computazionali in grado di prevedere gli effetti strutturali e chimici che derivano dalla presenza di impurità.

Professor Peelaers, ora all'Università del Kansas, ha descritto i risultati chiave:"Ci siamo subito resi conto che l'idrogeno può penetrare molto facilmente nel materiale, e che la sua presenza consente agli atomi di manganese di staccarsi dalla spina dorsale di ossido di manganese che tiene insieme il materiale. Questa rimozione del manganese è irreversibile e porta ad una diminuzione della capacità e, in definitiva, degrado della batteria."

Gli studi sono stati eseguiti nel Computational Materials Group di Van De Walle presso l'UC Santa Barbara.

"Ricerche precedenti avevano dimostrato che la perdita di manganese potrebbe avvenire all'interfaccia con l'elettrolita o potrebbe essere associata a una transizione di fase, ma non ha davvero identificato un trigger, " Van de Walle ha detto. "I nostri nuovi risultati mostrano che la perdita di manganese può verificarsi ovunque nel materiale, se è presente idrogeno. Poiché gli atomi di idrogeno sono così piccoli e reattivi, l'idrogeno è un contaminante comune nei materiali. Ora che il suo impatto negativo è stato segnalato, possono essere prese misure durante la fabbricazione e l'incapsulamento delle batterie per sopprimere l'incorporazione di idrogeno, che dovrebbe portare a prestazioni migliori."

Infatti, i ricercatori sospettano che anche le onnipresenti batterie agli ioni di litio possano soffrire degli effetti negativi dell'incorporazione involontaria dell'idrogeno. Se questo causa meno problemi perché i metodi di fabbricazione sono ulteriormente avanzati in questo sistema di materiali maturi, o perché c'è un motivo fondamentale per cui le batterie al litio sono più resistenti all'idrogeno non è al momento chiaro, e sarà un'area di ricerca futura.