Le batterie ricaricabili convenienti sono il cuore di quasi tutti i dispositivi elettronici portatili, che sono diventati onnipresenti nella vita quotidiana moderna. Inoltre, le batterie ricaricabili sono componenti essenziali in molte tecnologie rispettose dell'ambiente, come le auto elettriche e i sistemi che raccolgono energia rinnovabile. Sono anche fattori abilitanti chiave di vari dispositivi medici e facilitano la ricerca in vari campi come fonte di energia di sensori elettronici e fotocamere. Così, non dovrebbe sorprendere che ci siano molti sforzi nello sviluppo di batterie ricaricabili migliori e più economiche.

Finora, le batterie ricaricabili agli ioni di litio occupano il primo posto grazie alle loro grandi prestazioni su tutta la linea in termini di capacità, stabilità, prezzo, e tempo di ricarica. Però, litio, e altri metalli minori e costosi come il cobalto e il rame, non sono tra i materiali più abbondanti sulla crosta terrestre, e la loro domanda sempre crescente porterà presto a problemi di approvvigionamento in tutto il mondo. All'Università delle Scienze di Tokyo, Giappone, Il professor Shinichi Komaba e i suoi colleghi si sono sforzati di trovare una soluzione a questo enigma in peggioramento sviluppando batterie ricaricabili che utilizzano alternative, materiali più abbondanti.

In un recente studio pubblicato su Angewandte Chemie Edizione Internazionale , il team ha trovato un metodo efficiente dal punto di vista energetico per produrre un nuovo materiale a base di carbonio per le batterie agli ioni di sodio. Oltre al prof. Komaba, il team comprendeva anche la signora Azusa Kamiyama e il prof. associato Kei Kubota della Tokyo University of Science, Dr. Yong Youn e Dr. Yoshitaka Tateyama del National Institute for Materials Science, Giappone, e il Prof. Associato Kazuma Gotoh dell'Università di Okayama, Giappone. Lo studio si è concentrato sulla sintesi del carbonio duro, un materiale altamente poroso che funge da elettrodo negativo delle batterie ricaricabili, attraverso l'uso di ossido di magnesio (MgO) come stampo inorganico di pori di dimensioni nanometriche all'interno del carbonio duro.

I ricercatori hanno esplorato una tecnica diversa per mescolare gli ingredienti del modello MgO in modo da regolare con precisione la nanostruttura dell'elettrodo di carbonio duro risultante. Dopo molteplici analisi sperimentali e teoriche, hanno chiarito le condizioni di fabbricazione ottimali e gli ingredienti per produrre carbonio duro con una capacità di 478 mAh/g, il più alto mai riportato in questo tipo di materiale. Il prof. Komaba afferma, "Fino ad ora, la capacità dei materiali per elettrodi negativi a base di carbonio per le batterie agli ioni di sodio era per lo più di circa 300-350 mAh/g. Sebbene siano stati riportati valori prossimi a 438 mAh/g, questi materiali richiedono un trattamento termico a temperature estremamente elevate, superiori a 1900°C. In contrasto, abbiamo impiegato il trattamento termico a soli 1500°C, una temperatura relativamente bassa." Naturalmente, con temperature più basse si ha un minor dispendio energetico, il che significa anche minor costo e minor impatto ambientale.

La capacità di questo materiale per elettrodi di carbonio duro di nuova concezione è certamente notevole, e supera di gran lunga quello della grafite (372 mAh/g), che è attualmente utilizzato come materiale per elettrodi negativi nelle batterie agli ioni di litio. Inoltre, anche se una batteria agli ioni di sodio con questo elettrodo negativo al carbonio duro in teoria funzionerebbe con una differenza di tensione inferiore di 0,3 volt rispetto a una batteria standard agli ioni di litio, la maggiore capacità del primo porterebbe ad una densità energetica in peso molto maggiore (1600 Wh/kg contro 1430 Wh/kg), con conseguente aumento del +19% della densità energetica.

Entusiasta dei risultati e con gli occhi al futuro, Il prof. Komaba osserva, "Il nostro studio dimostra che è possibile realizzare batterie agli ioni di sodio ad alta energia, ribaltando la credenza comune che le batterie agli ioni di litio abbiano una maggiore densità di energia. Il carbonio duro con capacità estremamente elevata che abbiamo sviluppato ha aperto una porta verso la progettazione di nuovi materiali che immagazzinano sodio."

Saranno necessari ulteriori studi per verificare che il materiale proposto offra effettivamente una durata superiore, caratteristiche ingresso-uscita, e il funzionamento a bassa temperatura nelle vere batterie agli ioni di sodio. Con un po' di fortuna, potremmo essere sul punto di assistere alla prossima generazione di batterie ricaricabili!