L'Asst Prof Canepa carica un campione NASICON nel diffrattometro a raggi X. Credito:NUS College of Design and Engineering
Una batteria ricaricabile più sicura, più ecologica e poco costosa per l'alimentazione di veicoli elettrici, telefoni cellulari e molte altre applicazioni potrebbe essere un passo avanti dopo una scoperta rivoluzionaria dei ricercatori del NUS.
Il team guidato dal Professore Associato Pieremanuele (Piero) Canepa (Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il NUS College of Design and Engineering) ha identificato una nuova composizione di elettrolita solido a base di ioni di sodio che può consentire la carica e la scarica ultrarapide della batteria.
La loro ricerca è stata recentemente pubblicata su Nature Communications .
"Le batterie agli ioni di litio convenzionali e ampiamente utilizzate sono afflitte da problemi di sicurezza, in particolare a causa dell'elevata infiammabilità degli elettroliti liquidi che contengono", ha affermato il professor Canepa.
"La sfida è stata trovare alternative allo stato solido più sicure in grado di competere in termini di velocità di ricarica, longevità e potenziale capacità di ricarica".
Batterie più sicure e ad alta capacità
L'utilizzo di materiali ceramici non infiammabili, noti come elettroliti solidi, per creare una batteria completamente a stato solido è stato ampiamente considerato dai ricercatori come la migliore prospettiva per fornire batterie più sicure e ad alta capacità necessarie per soddisfare le richieste energetiche di un futuro a basse emissioni di carbonio.
La difficoltà è stata nello sviluppo della giusta composizione di materiale ceramico in grado di fornire prestazioni che competono con gli elettroliti liquidi infiammabili delle batterie agli ioni di litio commerciali.
La nuova composizione allo stato solido sviluppata dal team NUS utilizza una classe di elettroliti solidi noti come NASICON (o Natrium Super Ionic Conductors) che sono stati scoperti per la prima volta circa quattro decenni fa da Hong e Goodenough, il Premio Nobel per la Chimica 2019.
Oltre ad essere più sicura, utilizzando il sodio anziché il litio la batteria ha l'ulteriore vantaggio di essere più economica e più facile da produrre.
"La maggior parte del litio nel mondo, che è di per sé un elemento abbastanza raro, proviene da pochi luoghi, principalmente Cile, Bolivia e Australia", ha affermato l'Asst Prof Canepa. "L'utilizzo di una batteria che si basa sul sodio, tuttavia, è molto più efficiente, poiché il sodio può essere estratto facilmente e anche in modo pulito, anche in un luogo piccolo come qui a Singapore".
Approccio avanzato
La scoperta del team dell'Asst Prof Canepa è stata effettuata utilizzando un approccio bottom-up che prevedeva innanzitutto lo sviluppo di un modello teorico su scala atomica della composizione ceramica NASICON utilizzando supercomputer ad alta potenza e nuovi algoritmi sviluppati dallo stesso team.
La composizione progettata è stata quindi sintetizzata sperimentalmente, caratterizzata e testata dal team del Professor Masquelier presso il CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, ad Amiens, in Francia. La velocità del movimento ionico nella nuova composizione NASICON è stata quindi misurata presso il NUS e l'Istituto di ricerca sull'energia e sul clima, a Jülich, in Germania.
"Il metodo che abbiamo utilizzato consente ai ricercatori di accelerare lo sviluppo e l'ottimizzazione di nuovi elettroliti solidi per batterie a stato solido, che sono fondamentali per ottenere batterie più sicure con un'elevata densità di potenza", ha affermato il professor Canepa.
"Questo approccio avanzato, riteniamo, sarà fondamentale per lo sviluppo della prossima generazione di tecnologie di accumulo di energia pulita".
La fase successiva della ricerca, su cui il team sta ora lavorando, si concentrerà sullo sviluppo di una batteria solida di dimensioni standard utilizzando la ceramica NASICON e sulla dimostrazione delle sue prestazioni di carica e scarica.
L'Asst Prof Canepa guida il Canepa Research Laboratory presso il NUS, che sfrutta la potenza dei supercomputer e degli algoritmi di simulazione avanzati per spingere i confini della trasformazione e dello stoccaggio di energia pulita.
Ricerca Canepa Lab sulle batterie a stato solido
In uno studio correlato, i ricercatori del Canepa Lab hanno esaminato una delle sfide chiave nello sviluppo di batterie a stato solido:l'interfaccia tra l'anodo di metallo alcalino e l'elettrolita solido, che è spesso instabile e causa di guasti alle batterie .
La stabilità di questa interfaccia dipende dalle proprietà dello strato intermedio chimicamente distinto che si forma al confine, noto come interfase dell'elettrolita solido.
Nel loro studio, recentemente pubblicato sulla rivista PRX Energy , il team guidato dal ricercatore Yuheng Li, ha studiato l'interfaccia della batteria tra un anodo litio-metallo e un noto elettrolita solido, in cui si forma un'interfase autolimitante e stabile.
Per comprendere l'origine di questa stabilità, gli autori hanno utilizzato simulazioni su scala atomica per modellare la conduttività elettronica dell'interfase. Hanno scoperto che l'interfase è isolante elettronicamente e quindi interrompe la progressiva formazione di se stessa e stabilizza l'interfaccia.
Il team afferma che i loro risultati forniscono linee guida di progettazione su interfacce batteria stabili, contribuendo ad accelerare la commercializzazione di batterie a stato solido sicure e ad alte prestazioni. + Esplora ulteriormente
