Gli scienziati hanno scoperto un nuovo stato chimico dell'elemento manganese. Questo stato chimico, proposto per la prima volta circa 90 anni fa, consente un rendimento elevato, batteria agli ioni di sodio a basso costo in grado di immagazzinare e distribuire in modo rapido ed efficiente l'energia prodotta da pannelli solari e turbine eoliche attraverso la rete elettrica.

Questa prova diretta di uno stato di carica precedentemente non confermato in un componente della batteria contenente manganese potrebbe ispirare nuove strade di esplorazione per le innovazioni della batteria.

Gli esperimenti a raggi X presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sono stati fondamentali per la scoperta. I risultati dello studio sono stati pubblicati il ​​28 febbraio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Gli scienziati del Berkeley Lab e della New York University hanno partecipato allo studio, che è stato guidato dai ricercatori di Natron Energy, già Alveo Energy, a Palo Alto, Azienda di tecnologia delle batterie con sede in California.

La batteria fornita da Natron Energy per lo studio presenta un design non convenzionale per un anodo, che è uno dei suoi due elettrodi. Rispetto ai progetti relativamente maturi degli anodi utilizzati nelle batterie agli ioni di litio, gli anodi per le batterie agli ioni di sodio rimangono un obiettivo attivo di ricerca e sviluppo.

L'anodo presentato in questo ultimo studio è costituito da una miscela di elementi, tra cui manganese, carbonio e azoto - che è chimicamente simile alla formula del pigmento di vernice contenente ferro noto come blu di Prussia.

"Tipicamente, nelle batterie agli ioni di litio e sodio, l'anodo è più spesso a base di carbonio, " ha detto Wanli Yang, uno scienziato del personale presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab, la fonte di raggi X che sono stati utilizzati negli esperimenti sulle batterie.

Ma in questo caso, entrambi gli elettrodi della batteria utilizzano lo stesso tipo di materiali basati su elementi noti come "metalli di transizione" che sono utili in chimica perché possono presentare vari stati di carica. L'altro elettrodo, chiamato catodo, contiene rame, azoto, carbonio, e ferro.

"La parte molto interessante qui è che entrambi gli elettrodi si basano sulla chimica dei metalli di transizione nello stesso tipo di materiali, " Ha aggiunto, con ferro nel catodo e una speciale chimica del manganese nell'anodo.

"Uno dei vantaggi diretti dell'utilizzo di tali materiali per entrambi gli elettrodi nella batteria è che nessuno dei due elettrodi limita sostanzialmente la capacità di alimentazione, ciclo di vita, o il costo del dispositivo, " disse Colin Wessells, CEO di Natron Energy. La batteria supera la durata del ciclo del Dipartimento dell'Energia e gli obiettivi di prezzo per lo stoccaggio di energia su scala di rete, come riferiscono i ricercatori nel loro ultimo studio.

Wessells ha notato che la batteria è molto stabile, i suoi materiali sono abbondanti, il suo costo complessivo è competitivo con le batterie al piombo convenzionali, e ha un impatto ambientale inferiore rispetto alle batterie convenzionali.

La batteria ha dimostrato di fornire fino al 90% della sua energia totale in un tempo molto veloce, scarica di cinque minuti, e mantenere circa il 95% della sua capacità di scarico per 1, 000 cicli. Offre un'alternativa ai sistemi di accumulo di energia a gravità per la rete elettrica, in cui l'acqua viene pompata a monte e poi rilasciata a valle su richiesta per generare elettricità.

Proprio come la batteria raggiunge le sue elevate prestazioni, anche se, aveva sconcertato i ricercatori.

C'era la speculazione, risalente a un articolo di giornale in lingua tedesca del 1928, che il manganese potrebbe esistere in un cosiddetto stato "1-plus" o "monovalente", il che significa che un atomo di manganese in questo stato perde solo un singolo elettrone. Questo è insolito, poiché gli atomi di manganese tipicamente sono noti per cedere due o più elettroni, o nessun elettrone, nelle reazioni chimiche, ma non solo uno.

Un tale nuovo stato chimico consentirebbe un intervallo di tensione utile per gli anodi delle batterie. Ma non c'erano state misurazioni che confermassero questa forma monovalente di manganese.

I ricercatori della Natron Energy hanno studiato i materiali delle batterie presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, un centro di nanoscienze, e poi offrì alcune celle di batteria campione per lo studio presso l'ALS.

Il primo ciclo di esperimenti a raggi X presso la SLA, che utilizzava una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento dei raggi X molli, sembrava mostrare principalmente la forma 2-plus del manganese.

"Abbiamo solo colto un accenno (di un'altra forma) nei test iniziali, e ha dovuto fare molto affidamento sulla teoria per speculare su uno stato diverso, ", ha affermato Andrew Wray della New York University, che ha eseguito i calcoli teorici.

Quindi il team si è rivolto a un sistema di nuova costruzione presso l'ALS, soprannominato scattering di raggi X anelastico risonante in situ, o iRIXS. La tecnica, che fornisce una sonda ad alta sensibilità della chimica interna dei materiali, ha mostrato un contrasto rivelatore negli elettroni durante i cicli di carica e scarica della batteria.

"Un contrasto molto chiaro si presenta immediatamente con RIXS, " Yang ha detto. "Ci siamo poi resi conto che il manganese 1-plus si comporta molto, molto vicino al tipico stato 2-plus in altra spettroscopia convenzionale, " ed è per questo che era stato difficile rilevarlo per così tanti decenni.

Wray ha aggiunto, "L'analisi dei risultati del RIXS non solo conferma lo stato di manganese 1-plus, ma mostra anche che le circostanze speciali che danno origine a questo stato rendono più facile per gli elettroni viaggiare nel materiale. Questo è probabilmente il motivo per cui un elettrodo di batteria così insolito si comporta così bene."

I prototipi commerciali basati sulla batteria testata presso il laboratorio sono entrati nei beta test dei clienti all'inizio di quest'anno, Wessell ha notato. Oltre alle applicazioni di rete, Natron Energy sta promuovendo la tecnologia per l'alimentazione di emergenza dei data center, e per attrezzature pesanti come carrelli elevatori elettrici, tra le altre possibili applicazioni.

Yang ha affermato che il puzzle chimico risolto nell'ultimo studio potrebbe ispirare altre attività di ricerca e sviluppo in nuovi tipi di elettrodi per batterie. "Il funzionamento di una batteria potrebbe favorire l'emergere di stati chimici atipici che non esistono nel nostro pensiero convenzionale. Questa comprensione di base potrebbe innescare altri nuovi progetti, e aprire i nostri occhi oltre la nostra saggezza convenzionale" sui materiali degli elettrodi, Egli ha detto.

"Questo studio era come un pacchetto perfetto, con l'industria combinata, laboratorio nazionale, e contributi universitari, " ha detto Yang.