Un team internazionale di scienziati di NUST MISIS, L'Accademia Russa delle Scienze e l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hanno scoperto che invece del litio (Li), sodio (Na) "impilato" in modo speciale può essere utilizzato per la produzione di batterie. Le batterie al sodio sarebbero significativamente più economiche e equivalentemente o addirittura più capienti delle batterie al litio esistenti. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Nano energia .

È difficile sopravvalutare il ruolo delle batterie agli ioni di litio nella vita moderna. Queste batterie sono utilizzate ovunque:nei telefoni cellulari, computer portatili, macchine fotografiche, così come in vari tipi di veicoli e navi spaziali. Le batterie agli ioni di litio sono entrate nel mercato nel 1991, e nel 2019, i loro inventori ricevettero il Premio Nobel per la chimica per il loro contributo rivoluzionario allo sviluppo della tecnologia. Allo stesso tempo, il litio è un metallo alcalino costoso, e le sue riserve sono limitate a livello globale. Attualmente, non esiste un'alternativa remotamente efficace alle batterie agli ioni di litio. A causa del fatto che il litio è uno degli elementi chimici più leggeri, è molto difficile sostituirlo per creare batterie capienti.

Il team di scienziati di NUST MISIS, Accademia Russa delle Scienze e Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, guidato dal professor Arkadiy Krashennikov, propone un'alternativa. Hanno scoperto che se gli atomi all'interno del campione sono "impilati" in un certo modo, quindi anche i metalli alcalini diversi dal litio dimostrano un'elevata intensità energetica. Il sostituto più promettente del litio è il sodio (Na), poiché una disposizione a due strati di atomi di sodio nel sandwich di bigraphen dimostra una capacità dell'anodo paragonabile alla capacità di un anodo di grafite convenzionale nelle batterie agli ioni di litio:circa 335 mA*h/g contro 372 mA*h/g per il litio. Però, il sodio è molto più comune del litio, e quindi più economico e più facilmente ottenibile.

Un modo speciale di impilare gli atomi consiste nel posizionarli uno sopra l'altro. Questa struttura viene creata trasferendo atomi da un pezzo di metallo nello spazio tra due fogli di grafene sotto alta tensione, che simula il processo di ricarica di una batteria. Alla fine, sembra un sandwich composto da uno strato di carbonio, due strati di metallo alcalino, e un altro strato di carbonio.

Ilya Chepkasov, ricercatore presso NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials, dice, "Per molto tempo, si credeva che gli atomi di litio nelle batterie potessero essere localizzati solo in uno strato, altrimenti il ​​sistema sarà instabile. Nonostante questo, recenti esperimenti dei nostri colleghi tedeschi hanno dimostrato che con un'attenta selezione dei metodi, è possibile creare strutture di litio multistrato stabili tra strati di grafene. Ciò apre ampie prospettive per aumentare la capacità di tali strutture. Perciò, eravamo interessati a studiare la possibilità di formare strutture multistrato con altri metalli alcalini, compreso il sodio, utilizzando la simulazione al computer."

Zachar Popov, ricercatore senior presso NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials and RAS, dice, "La nostra simulazione mostra che gli atomi di litio si legano molto più fortemente al grafene, ma aumentare il numero di strati di litio porta a una minore stabilità. La tendenza opposta si osserva nel caso del sodio:all'aumentare del numero di strati di sodio, la stabilità di tali strutture aumenta, quindi speriamo che tali materiali vengano ottenuti nell'esperimento".

Il prossimo passo del team di ricerca è creare un campione sperimentale e studiarlo in laboratorio. Questo sarà gestito nel Max Planck Institute for Solid State Research, Stoccarda, Germania. In caso di successo, it could lead to a new generation of Na batteries that will be significantly cheaper and equivalently or even more capacious than Li-ion batteries.