I ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze e della Delft University of Technology (TU Delft) hanno sviluppato un metodo per prevedere la struttura atomica delle batterie agli ioni di sodio. Fino ad ora, questo era impossibile anche con i migliori supercomputer. I risultati possono accelerare notevolmente la ricerca sulle batterie agli ioni di sodio. Di conseguenza, questo tipo di batteria può diventare una tecnologia seria accanto alle popolari batterie agli ioni di litio che si trovano nei nostri smartphone, computer portatili e auto elettriche. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Scienza .

Cellulari, laptop e auto elettriche contengono tutti batterie agli ioni di litio. In termini di prestazioni e densità energetica, queste batterie non hanno rivali. Tuttavia, la dipendenza commerciale da un tipo di batteria ha anche i suoi svantaggi. Prendi il cobalto, Per esempio. Finora, nonostante una grande quantità di ricerche, produrre batterie agli ioni di litio senza questa rara risorsa non è stato possibile. Il cobalto viene estratto quasi esclusivamente in Congo in condizioni difficili e con un forte impatto sull'ambiente.

Il litio è una risorsa che può diventare problematica nel lungo periodo. "Al momento, ne abbiamo più che a sufficienza, ", afferma il ricercatore della TU Delft Marnix Wagemaker. "Ma se in futuro guideremo tutti elettricamente e se avessimo bisogno di grandi batterie per immagazzinare l'energia solare in casa, avremo bisogno anche di un'enorme quantità di litio." Questo potrebbe diventare un problema perché le riserve di litio sono tutt'altro che infinite.

Sale da cucina

I ricercatori ritengono che le batterie agli ioni di sodio abbiano un potenziale. Il nome dice tutto:invece del litio, questo tipo di batteria è a base di sodio, che si trova nel sale da cucina, tra l'altro. In teoria, Le batterie agli ioni di Na non funzionano bene come le batterie agli ioni di litio, ma il divario non è così grande. Il salariato dice, "A livello di laboratorio, Le batterie agli ioni di Na possono raggiungere una densità di energia che è solo dal 20 al 30% inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio. Quindi non sono competitivi quando si tratta di telefoni cellulari o auto elettriche. Ma per situazioni in cui il peso è leggermente meno importante, ad esempio in applicazioni marittime o in veicoli che possono essere ricaricati frequentemente, possono essere una buona alternativa".

Le batterie agli ioni di Na sarebbero adatte anche per l'uso stazionario, Per esempio, in un muro di alimentazione a casa o in un parco batterie che immagazzina energia eolica e solare. Inoltre, Le batterie agli ioni di Na offrono maggiori opportunità nell'uso delle materie prime per costruire elettrodi positivi migliori e più economici. Questa versatilità rende molto più facile sbarazzarsi del cobalto, ad esempio, rispetto agli elettrodi positivi nelle batterie agli ioni di litio. Il cobalto non è solo costoso, ma pone anche un problema etico dal punto di vista dello sfruttamento lavorativo.

Infinito

Ironia della sorte, questa versatilità è anche la maledizione della batteria agli ioni di sodio. Le batterie agli ioni di litio funzionano solo con un numero limitato di materie prime e strutture dei materiali, ed è relativamente chiaro quale sia la "ricetta" migliore per un catodo. Non così per le batterie agli ioni di Na. "A seconda del preciso cocktail di elementi, ti ritroverai con sottili differenze nella struttura atomica dell'elettrodo positivo, che hanno un forte impatto sulle prestazioni della batteria, " Spiega Wagemaker. "Con solo una manciata di elementi, ci sono così tante possibilità strutturali che anche il supercomputer più veloce non può prevedere come andranno a finire le diverse combinazioni. Di conseguenza, lo sviluppo di nuovi materiali è lento."

Almeno, così è stato fino ad ora. Ma i ricercatori di Delft ei loro colleghi cinesi hanno trovato un modo per prevedere la ricetta ideale per il catodo. A livello atomico, un catodo assomiglia molto a un sandwich:è composto da più strati, con ioni in mezzo. "All'inizio sembrava che la dimensione degli ioni determinasse la struttura atomica, " dice Wagemaker. "Ma presto divenne chiaro che questo non era l'unico fattore. La distribuzione della carica elettrica degli ioni gioca un ruolo fondamentale".

Geologia

Questa è stata un'intuizione cruciale per i ricercatori perché il rapporto tra la dimensione di uno ione e la sua carica, il cosiddetto "potenziale ionico, " è noto per avere un valore predittivo. "In geologia, questa relazione è stata usata per decenni per capire perché, ad esempio, alcuni ossidi di ferro sono più solubili di altri, " dice Wagemaker. "Questo può rivelare qualcosa sulla formazione di alcuni strati della terra, o su altri processi geologici."

La domanda era se questa relazione sarebbe stata utile anche su scala atomica. Si è scoperto che lo era. I ricercatori hanno sviluppato una formula semplice basata sul potenziale ionico. "Utilizzando questa formula possiamo prevedere quale struttura otterremo in quale rapporto di una selezione di materie prime, " afferma Wagemaker. "La formula ci guida attraverso l'enorme numero di possibilità per i materiali degli elettrodi in grado di fornire le migliori prestazioni".

In aumento

I ricercatori hanno anche testato la loro formula progettando nuovi materiali. "Abbiamo cercato di creare un catodo con la più alta densità di energia possibile, e uno che puoi caricare molto rapidamente, " dice Wagemaker. "In entrambi i casi, ci siamo riusciti. In termini di densità energetica eravamo proprio al limite superiore di ciò che è possibile. Mi piace il fatto che una formula così semplice, basata su un'idea molto antica della geologia, possono fare previsioni su scala atomica con tale precisione."

Questa ricerca si è concentrata su una parte di una batteria:il catodo. Un passo logico successivo è guardare anche ad altri tipi di strutture, sia negli elettrodi che negli elettroliti per vari tipi di batterie. Può questo nuovo approccio avere un ruolo anche lì? Marnix Wagemaker la pensa così. "Lo esploreremo nel prossimo periodo. Con questa ricerca speriamo di accelerare lo sviluppo di materiali per le prossime generazioni di batterie".