Batterie agli ioni di sodio: nuovo meccanismo di accumulo per i materiali catodici
Un nuovo approccio fornisce una nuova prospettiva per la progettazione di batterie ad alta efficienza e a carica rapida
Le batterie Li-ion e Na-ion funzionano attraverso un processo chiamato intercalazione, in cui gli ioni vengono immagazzinati e scambiati tra due elettrodi chimicamente diversi. Al contrario, la co-intercalazione, un processo in cui sia gli ioni che le molecole di solvente vengono immagazzinati simultaneamente, è stata tradizionalmente considerata indesiderabile a causa della sua tendenza a causare un rapido fallimento della batteria. Contro questa visione tradizionale, un team di ricerca internazionale guidato da Philipp Adelhelm ha ora dimostrato che la co-intercalazione può essere un processo reversibile e veloce per i materiali catodici delle batterie agli ioni di Na. L'approccio di immagazzinare congiuntamente ioni e solventi nei materiali catodici offre una nuova possibilità di progettare batterie ad alta efficienza e con capacità di carica rapida. I risultati sono pubblicati su Nature Materials.
Le prestazioni delle batterie dipendono da molti fattori. In particolare, dipende da come gli ioni vengono immagazzinati nei materiali elettrodici e dalla possibilità di rilasciarli nuovamente. Questo perché i portatori di carica (ioni) sono relativamente grandi e possono causare una variazione indesiderata del volume quando migrano nell'elettrodo. Questo effetto, noto come "respirazione", compromette la durata della batteria. La variazione di volume è particolarmente pronunciata quando gli ioni di sodio migrano insieme a molecole dell'elettrolita organico. Questa cosiddetta co-intercalazione è stata generalmente considerata dannosa per la durata della batteria. Tuttavia, un team di ricerca internazionale guidato da Philipp Adelhelm ha studiato materiali per catodi che consentono la co-intercalazione di ioni e molecole di solvente, permettendo processi di carica e scarica più rapidi.
Cointercalazione negli anodi
In studi precedenti, il team ha studiato la co-intercalazione negli anodi di grafite, dimostrando che il sodio poteva migrare rapidamente e reversibilmente dentro e fuori dall'elettrolita per molti cicli, quando combinato con molecole di glicine. Tuttavia, la dimostrazione dello stesso concetto per i materiali del catodo è rimasta difficile. Per affrontare questa sfida, il team ha esplorato una serie di solfuri metallici di transizione stratificati e ha identificato i processi di co-intercalazione dei solventi nei materiali catodici. Il processo di co-intercalazione potrebbe essere utilizzato per sviluppare batterie molto efficienti e a carica più rapida. Per questo motivo abbiamo voluto approfondire l'argomento", afferma il Prof. Philipp Adelhelm.
La co-intercalazione nei catodi: un processo differente
Lo studio incorpora le indagini dettagliate degli ultimi tre anni: Yanan Sun ha effettuato misure di variazione di volume nei materiali catodici, ha eseguito analisi strutturali con radiazioni di sincrotrone al PETRA III del DESY e ha studiato le proprietà elettrochimiche per una varietà di combinazioni di elettrodi e solventi. Con il supporto della teoria, in collaborazione con il Dr. Gustav Åvall, è stato possibile identificare parametri importanti che aiutano a prevedere le reazioni di co-intercalazione in futuro.
Vantaggi: Cinetica superveloce
Il processo di co-intercalazione nei materiali catodici differisce notevolmente da quello che avviene negli anodi di grafite", spiega Yanan Sun. Mentre le reazioni di co-intercalazione negli anodi di grafite danno tipicamente luogo a elettrodi a bassa capacità, la perdita di capacità causata dalla co-intercalazione nei materiali catodici studiati è molto bassa. Soprattutto, alcuni materiali catodici offrono un enorme vantaggio: la cinetica è superveloce, quasi come quella di un supercondensatore". sottolinea Sun.
Un vasto panorama chimico per nuovi materiali
La vera bellezza delle reazioni di co-intercalazione risiede nella loro capacità di offrire un vasto panorama chimico per la progettazione di nuovi materiali stratificati per diverse applicazioni", afferma Adelhelm. Esplorare il concetto di co-intercalazione era estremamente rischioso, perché è contrario alle conoscenze classiche sulle batterie. Sono stato quindi molto grato di aver ricevuto un finanziamento per questa idea dal Consiglio europeo della ricerca attraverso un ERC Consolidator Grant". I risultati sono il frutto della collaborazione di molte persone di talento e non sarebbero stati possibili senza le opportunità offerte dal gruppo di ricerca congiunto sull'analisi delle batterie operando, finanziato dall'Helmholtz-Zentrum Berlin e dalla Humboldt-Universität", aggiunge. Il Berlin Battery Lab recentemente annunciato tra HZB, HU e BAM offrirà ancora più opportunità per progetti di ricerca congiunti a Berlino".
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Pubblicazione originale
Yanan Sun, Gustav Åvall, Shu-Han Wu, Guillermo A. Ferrero, Annica Freytag, Pedro B. Groszewicz, Hui Wang, Katherine A. Mazzio, Matteo Bianchini, Volodymyr Baran, Sebastian Risse, Philipp Adelhelm: Nature Materials (2025): Solvent co-intercalation in layered cathode active materials for sodium-ion batteries
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