I ricercatori dell'Empa e dell'ETH di Zurigo sono riusciti per la prima volta a produrre nanocristalli uniformi di antimonio. Testati come componenti di batterie da laboratorio, questi sono in grado di immagazzinare un gran numero di ioni sia litio che sodio. Questi nanomateriali funzionano ad alta velocità e potrebbero eventualmente essere utilizzati come materiali anodici alternativi nelle future batterie ad alta densità di energia.
La caccia è aperta:nuovi materiali da utilizzare nella prossima generazione di batterie che un giorno potrebbero sostituire le attuali batterie agli ioni di litio. Oggi, questi ultimi sono all'ordine del giorno e forniscono una fonte di alimentazione affidabile per gli smartphone, laptop e molti altri dispositivi elettrici portatili. Da una parte, però, la mobilità elettrica e lo stoccaggio stazionario dell'elettricità richiedono un numero maggiore di batterie più potenti; e l'elevata domanda di litio potrebbe eventualmente portare a una carenza di materia prima. Ecco perché la tecnologia concettualmente identica basata sugli ioni sodio riceverà un'attenzione crescente nei prossimi anni. Sebbene studiato per 20 anni, i materiali che possono immagazzinare ioni sodio rimangono scarsi.
Elettrodi di antimonio?
Un team dell'Empa e dell'ETH di Zurigo guidato dal ricercatore dell'Empa Maksym Kovalenko potrebbe aver compiuto un passo avanti nell'identificare materiali alternativi per le batterie:sono diventati i primi a sintetizzare nanocristalli uniformi di antimonio, le cui proprietà speciali li rendono i primi candidati per un materiale anodico sia per le batterie agli ioni di litio che per quelle agli ioni di sodio. I risultati dello studio degli scienziati sono stati appena pubblicati in Nano lettere .
Per molto tempo, l'antimonio è stato considerato un materiale anodico promettente per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni poiché questo metalloide presenta un'elevata capacità di carica, di un fattore due superiore a quello della grafite comunemente usata. Gli studi iniziali hanno rivelato che l'antimonio potrebbe essere adatto per le batterie ricaricabili agli ioni di litio e sodio perché è in grado di immagazzinare entrambi i tipi di ioni. Il sodio è considerato una possibile alternativa a basso costo al litio in quanto è molto più abbondante in natura e le sue riserve sono distribuite in modo più uniforme sulla Terra.
Affinché l'antimonio raggiunga la sua elevata capacità di immagazzinamento, però, deve essere prodotto in una forma speciale. I ricercatori sono riusciti a sintetizzare chimicamente nanocristalli di antimonio uniformi, i cosiddetti "monodispersi", di dimensioni comprese tra dieci e venti nanometri. I nanocristalli hanno un vantaggio decisivo rispetto alle particelle di dimensioni maggiori:la completa litiazione o sodiazione dell'antimonio porta a grandi cambiamenti volumetrici. Utilizzando nanocristalli, queste modulazioni del volume possono essere reversibili e veloci, e non comportano la frattura immediata del materiale. Un ulteriore importante vantaggio dei nanocristalli (o nanoparticelle) è che possono essere mescolati con un riempitivo di carbonio conduttivo per prevenire l'aggregazione delle nanoparticelle.
Candidato ideale per materiale anodico
I test elettrochimici hanno mostrato che gli elettrodi fatti di nanocristalli di antimonio si comportano ugualmente bene nelle batterie al sodio e agli ioni di litio. Ciò rende l'antimonio particolarmente promettente per le batterie al sodio perché i migliori materiali per anodi che immagazzinano litio (grafite e silicio) non funzionano con il sodio.
Nanocristalli altamente monodispersi, con la deviazione delle dimensioni del dieci percento o meno, consentono di individuare il rapporto taglia-prestazioni ottimale. I nanocristalli di dieci nanometri o più piccoli soffrono di ossidazione a causa dell'eccessiva superficie. D'altra parte, i cristalli di antimonio con un diametro superiore a 100 nanometri non sono sufficientemente stabili a causa della suddetta massiccia espansione e contrazione del volume durante il funzionamento di una batteria. I ricercatori hanno ottenuto i migliori risultati con particelle grandi 20 nanometri.
Un altro importante risultato dello studio, consentito da queste particelle ultra-uniformi, è che i ricercatori hanno identificato un intervallo di dimensioni compreso tra 20 e 100 nanometri, all'interno del quale questo materiale si mostra eccellente, prestazioni indipendenti dalle dimensioni, sia in termini di densità energetica che di capacità di velocità. Queste caratteristiche consentono anche di utilizzare particelle di antimonio polidisperso per ottenere le stesse prestazioni delle particelle molto monodisperse, fintanto che le loro dimensioni rimangono all'interno di questo intervallo di dimensioni compreso tra 20 e 100 nanometri. Esperimenti del gruppo di Kovalenko su nanoparticelle monodisperse di altri materiali mostrano relazioni dimensioni-prestazioni molto più ripide come un rapido decadimento delle prestazioni con l'aumento della dimensione delle particelle, ponendo l'antimonio in una posizione unica tra i materiali che si legano al litio e al sodio. "Ciò semplifica enormemente il compito di trovare un metodo di sintesi economicamente valido", dice Kovalenko. "Lo sviluppo di tale sintesi conveniente è il prossimo passo per noi, insieme al nostro partner industriale."
Alternativa più costosa
Questo significa che un'alternativa alle odierne batterie agli ioni di litio è alla nostra portata? Kovalenko scuote la testa. Sebbene il metodo sia relativamente semplice, la produzione di un numero sufficiente di nanocristalli uniformi di antimonio di alta qualità è ancora troppo costosa. "Tutto sommato, le batterie con ioni di sodio e nanocristalli di antimonio come anodi costituiranno un'alternativa molto promettente alle odierne batterie agli ioni di litio solo se i costi di produzione saranno comparabili, " lui dice.
Molto probabilmente passerà un altro decennio circa prima che una batteria agli ioni di sodio con elettrodi all'antimonio possa arrivare sul mercato. La ricerca sul tema è ancora solo agli inizi. "Però, altri gruppi di ricerca si uniranno presto agli sforzi, "Il chimico è convinto.
In breve:batterie agli ioni di litio
Una batteria agli ioni di litio attuale comprende due elettrodi:un catodo e un anodo. L'anodo è spesso in grafite, il catodo di ossidi metallici come l'ossido di cobalto. Gli ioni di litio si depositano in questi materiali durante i processi di carica o scarica. I due elettrodi sono separati da un separatore permeabile solo agli ioni di litio che viaggiano tra i due elettrodi. Durante lo scaricamento della batteria, gli ioni di litio si spostano dall'anodo al catodo. Gli elettroni fanno una "deviazione" tramite un dispositivo elettronico esterno, che è alimentato dal flusso di elettroni risultante. Elettroni e ioni si incontrano nuovamente al catodo. Quando la batteria è in carica, gli ioni di litio e gli elettroni fluiscono nella direzione opposta. Affinché la batteria funzioni in modo efficace e per lungo tempo, gli ioni devono poter entrare e uscire facilmente dai materiali degli elettrodi. La forma e le dimensioni dei materiali degli elettrodi non dovrebbero cambiare molto a causa dell'assorbimento e del rilascio ricorrenti degli ioni.
