Dalle auto elettriche che percorrono centinaia di miglia con una singola carica alle motoseghe potenti quanto le versioni a gas, nuovi prodotti arrivano sul mercato ogni anno che sfruttano i recenti progressi nella tecnologia delle batterie.

Ma quella crescita ha portato a preoccupazioni che la fornitura mondiale di litio, il metallo al centro di molte delle nuove batterie ricaricabili, potrebbe eventualmente esaurirsi.

Ora i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno trovato nuove prove che suggeriscono che le batterie a base di sodio e potassio promettono come una potenziale alternativa alle batterie a base di litio.

"Uno dei maggiori ostacoli per le batterie agli ioni di sodio e potassio è stato che tendono a decadere e degradarsi più velocemente e trattengono meno energia rispetto alle alternative, " ha detto Matthew McDowell, un assistente professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e la School of Materials Science and Engineering.

"Ma abbiamo scoperto che non è sempre così, " Ha aggiunto.

Per lo studio, che è stato pubblicato il 19 giugno sulla rivista Joule ed è stato sponsorizzato dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, il team di ricerca ha osservato come tre diversi ioni:litio, sodio, e potassio:ha reagito con particelle di solfuro di ferro, chiamato anche pirite e oro degli stolti.

Quando le batterie si caricano e si scaricano, gli ioni reagiscono costantemente e penetrano nelle particelle che compongono l'elettrodo della batteria. Questo processo di reazione provoca grandi cambiamenti di volume nelle particelle dell'elettrodo, spesso rompendoli in piccoli pezzi. Poiché gli ioni sodio e potassio sono più grandi del litio, è stato tradizionalmente pensato che causino una degradazione più significativa quando reagiscono con le particelle.

Nei loro esperimenti, le reazioni che avvengono all'interno di una batteria sono state osservate direttamente all'interno di un microscopio elettronico, con le particelle di solfuro di ferro che svolgono il ruolo di un elettrodo di batteria. I ricercatori hanno scoperto che il solfuro di ferro era più stabile durante la reazione con sodio e potassio che con il litio, indicando che una tale batteria a base di sodio o potassio potrebbe avere una durata molto più lunga del previsto.

La differenza tra il modo in cui i diversi ioni hanno reagito era visivamente netta. Quando esposto al litio, le particelle di solfuro di ferro sembravano quasi esplodere al microscopio elettronico. Anzi, il solfuro di ferro si espandeva come un palloncino quando esposto al sodio e al potassio.

"Abbiamo visto una reazione molto robusta senza fratture, qualcosa che suggerisce che questo materiale e altri materiali simili potrebbero essere utilizzati in queste nuove batterie con una maggiore stabilità nel tempo, "ha detto Matthew Boebinger, uno studente laureato alla Georgia Tech.

Lo studio mette anche in dubbio l'idea che grandi cambiamenti di volume che si verificano durante la reazione elettrochimica siano sempre un precursore della frattura delle particelle, che causa il guasto dell'elettrodo che porta al degrado della batteria.

I ricercatori hanno suggerito che una possibile ragione per la differenza nel modo in cui i diversi ioni hanno reagito con il solfuro di ferro è che il litio aveva maggiori probabilità di concentrare la sua reazione lungo i bordi taglienti a forma di cubo della particella, mentre la reazione con sodio e potassio era più diffusa lungo tutta la superficie della particella di solfuro di ferro. Di conseguenza, la particella di solfuro di ferro quando reagisce con sodio e potassio ha sviluppato una forma più ovale con bordi arrotondati.

Mentre c'è ancora molto lavoro da fare, i nuovi risultati della ricerca potrebbero aiutare gli scienziati a progettare sistemi di batterie che utilizzano questi tipi di nuovi materiali.

"Le batterie al litio sono ancora le più attraenti in questo momento perché hanno la maggiore densità di energia:puoi accumulare molta energia in quello spazio, " ha detto McDowell. "Le batterie al sodio e al potassio a questo punto non hanno più densità, ma si basano su elementi mille volte più abbondanti nella crosta terrestre del litio. Quindi potrebbero essere molto più economici in futuro, che è importante per l'immagazzinamento di energia su larga scala, alimentazione di riserva per le case o per la rete energetica del futuro".