Un nuovo design core-shell per gli anodi aumenta significativamente le prestazioni delle batterie agli ioni di sodio
I ricercatori rivestono il carbonio poroso con uno strato simile a un filtro che consente il passaggio degli ioni di sodio e tiene lontane le molecole elettrolitiche dirompenti
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Le batterie agli ioni di sodio sono considerate una promettente alternativa sostenibile alle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, le elevate perdite di accumulo durante il primo ciclo di carica ne hanno finora rallentato lo sviluppo. I ricercatori dell'Istituto federale per la ricerca e il collaudo dei materiali (BAM) hanno ora sviluppato un design per gli anodi che combina efficienza ed elevata capacità di accumulo.
La perdita irreversibile di capacità di accumulo durante la prima carica - mentre la batteria è ancora in fase di produzione - è causata da una reazione chimica tra l'anodo e l'elettrolita, il liquido conduttore della batteria. Durante questo processo, le molecole dell'elettrolita si decompongono nell'anodo di carbonio duro e penetrano nei suoi pori. Occupano gli "spazi vuoti" che sono in realtà destinati all'immagazzinamento degli ioni di sodio. Questo processo si arresta solo quando si forma una pellicola protettiva stabile sull'anodo.
La pellicola protegge l'anodo da un'ulteriore decomposizione da parte dell'elettrolita, ma consuma parte dell'energia immagazzinabile perché è essa stessa costituita in parte da ioni sodio. Pertanto, lega i portatori di carica che sono responsabili del trasporto della carica nella batteria.
Necessario un nuovo materiale anodico
Questo problema non si verifica quasi mai nelle batterie agli ioni di litio perché lo strato protettivo si forma più facilmente sugli anodi di grafite densa, il che significa che l'efficienza della batteria è solitamente superiore al 90%. Tuttavia, il sodio non può essere immagazzinato nella grafite. Questo tipo di batteria richiede quindi un materiale anodico diverso e i cosiddetti carboni duri si sono dimostrati la scelta migliore in questo caso, a parte i già citati svantaggi durante il primo processo di carica.
Design innovativo del core-shell
Per risolvere questo problema, il team BAM ha sviluppato un innovativo design core-shell per l'anodo. "Ci siamo resi conto che con le batterie agli ioni di sodio non è possibile ottenere grandi capacità di accumulo e una formazione efficiente del film utilizzando un unico materiale", spiega Tim-Patrick Fellinger, esperto BAM per i materiali energetici. "Ciò è dovuto al fatto che i materiali più adatti all'accumulo sono più soggetti a perdite durante la formazione del film".
I ricercatori hanno sviluppato un processo in cui ricoprono un carbonio duro poroso, simile a una spugna, come materiale di stoccaggio nel nucleo dell'anodo, con uno strato molto sottile che agisce come un filtro: lascia passare gli ioni di sodio desiderati, ma tiene fuori le molecole elettrolitiche dirompenti. Ciò preserva la capacità di accumulo dell'anodo e consente alla batteria di mantenere le sue prestazioni per molti cicli di carica. Il materiale personalizzato si basa sul carbone attivo, un materiale economico e rispettoso dell'ambiente, che rende la tecnologia interessante anche dal punto di vista economico. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie.
Miglioramento simultaneo dell'efficienza e della capacità di stoccaggio
I materiali sviluppati nello studio raggiungono già un'efficienza iniziale dell'82%, che senza rivestimento è del 18%. Il team del BAM ritiene probabili ulteriori progressi. "La separazione tra 'formazione', il termine tecnico per indicare la formazione di una pellicola, e immagazzinamento consente di migliorare simultaneamente l'efficienza e la capacità di immagazzinamento attraverso lo sviluppo di materiali separati. Finora, i progressi nelle batterie sono stati ottenuti principalmente attraverso innovazioni dei materiali sul lato del catodo. In questo caso, siamo vicini ai limiti teorici. Per quanto riguarda i materiali anodici, invece, è ancora del tutto incerto dove si trovino questi limiti e quali innovazioni nello sviluppo dei materiali - parola chiave: materiali avanzati - possano essere utilizzate per ottenere ulteriori progressi", afferma Paul Appel del team.
Ulteriore sviluppo presso il Berlin Battery Lab
Il materiale anodico sarà ulteriormente sviluppato presso il Berlin Battery Lab (BBL), una collaborazione tra BAM, Helmholtz Zentrum Berlin e Humboldt Universität Berlin. Il Berlin Battery Lab riunisce le competenze all'avanguardia dei tre istituti di ricerca nel campo delle tecnologie sostenibili per le batterie e offre all'industria una piattaforma unica che accelera la traduzione delle innovazioni in prodotti pronti per il mercato.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Paul Alexander Appel, Carsten Prinz, Jian Liang Low, Nahom Enkubahri Asres, Shu‐Han Wu, Annica Freytag, Jonas Krug von Nidda, Nader Amadeu de Sousa, Tim‐Patrick Fellinger; "Core‐Shell: Resolving the Dilemma of Hard Carbon Anodes by Sealing Nanoporous Particles With Semi‐Permeable Coatings"; Angewandte Chemie International Edition, 2026-1-22
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