Le batterie di prossima generazione vedranno probabilmente la sostituzione degli ioni di litio con metalli alcalini o ioni multivalenti più abbondanti e rispettosi dell'ambiente. Una grande sfida, però, è lo sviluppo di elettrodi stabili che combinano elevate densità di energia con velocità di carica e scarica elevate. Nel diario Angewandte Chemie , Scienziati statunitensi e cinesi segnalano un catodo ad alte prestazioni realizzato con un polimero organico da utilizzare a basso costo, rispettoso dell'ambiente, e durevoli batterie agli ioni di sodio.

Le batterie agli ioni di litio sono la tecnologia all'avanguardia per i dispositivi portatili, sistemi di accumulo di energia, e veicoli elettrici, il cui sviluppo è stato insignito del premio Nobel di quest'anno. Tuttavia, le batterie di nuova generazione dovrebbero fornire densità di energia più elevate, capacità migliori, e l'uso di prodotti più economici, più sicuro, e materiali più rispettosi dell'ambiente. I nuovi tipi di batteria più esplorati impiegano essenzialmente la stessa tecnologia di carica e scarica della sedia a dondolo della batteria al litio, ma lo ione litio viene sostituito con ioni metallici economici come il sodio, magnesio, e ioni alluminio. Sfortunatamente, questa sostituzione porta con sé importanti aggiustamenti ai materiali degli elettrodi.

I composti organici sono favorevoli come materiali per elettrodi perché, per uno, non contengono metalli pesanti dannosi e costosi, e possono essere adattati a diversi scopi. Il loro svantaggio è che si dissolvono in elettroliti liquidi, che rende gli elettrodi intrinsecamente instabili.

Chunsheng Wang e il suo team dell'Università del Maryland, NOI., e un team internazionale di scienziati ha introdotto un polimero organico ad alta capacità, ricarica rapida, e materiale insolubile per catodi di batterie. Per lo ione sodio, il polimero ha superato gli attuali catodi polimerici e inorganici nella capacità di consegna e ritenzione, e per gli ioni multivalenti di magnesio e alluminio, i dati non sono rimasti molto indietro, secondo lo studio.

Come materiale catodico adatto, gli scienziati hanno identificato il composto organico esaazatrinaftalene (HATN), che è già stato testato in batterie al litio e supercondensatori, dove funziona come un catodo ad alta densità di energia che intercala rapidamente gli ioni di litio. Però, come la maggior parte dei materiali organici, HATN si è dissolto nell'elettrolita e ha reso il catodo instabile durante il ciclo. Il trucco era ora stabilizzare la struttura del materiale introducendo collegamenti tra le singole molecole, spiegarono gli scienziati. Hanno ottenuto un polimero organico chiamato HATN polimerico, o PHATN, che offriva una cinetica di reazione rapida ed elevate capacità per il sodio, alluminio, e ioni magnesio.

Dopo aver montato la batteria, gli scienziati hanno testato il catodo PHATN utilizzando un elettrolita ad alta concentrazione. Hanno trovato eccellenti prestazioni elettrochimiche per gli ioni diversi dal litio. La batteria al sodio poteva funzionare ad alte tensioni fino a 3,5 volt e mantenere una capacità di oltre 100 milliampere ore per grammo anche dopo 50, 000 cicli, e le corrispondenti batterie al magnesio e all'alluminio erano vicine a questi valori competitivi, hanno riferito gli autori.

I ricercatori immaginano questi catodi polimerici a base di pirazina (la pirazina è la sostanza organica su cui si basa HATN; è un aromatico simile al benzolo, sostanza organica ricca di azoto dal sapore fruttato) da impiegare in ambienti rispettosi dell'ambiente, ad alta densità energetica, batterie ricaricabili di ultima generazione veloci e ultrastabili.