Come un trucco di fisica vecchio di 270 anni potrebbe potenziare la tecnologia delle batterie a basso costo
I ricercatori fondono la fisica storica con la moderna ingegneria dei materiali per creare batterie al sodio di lunga durata
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Circa 270 anni fa, il tedesco Johann Gottlob Leidenfrost osservò un comportamento particolare delle gocce d'acqua sulle superfici metalliche riscaldate. Nel suo manoscritto, "A Tract About Some Qualities of Common Water", descrisse come l'acqua pattinasse su superfici metalliche surriscaldate come se l'attrito non esistesse più. Ciò si verifica quando l'acqua o qualsiasi altro liquido forma un cuscino di vapore su superfici molto al di sopra del loro punto di ebollizione, permettendo loro di scivolare senza essere toccati.
Sintesi assistita da Leidenfrost di un materiale catodico a basso costo e scalabile per batterie agli ioni di sodio.
Clean Energy Research Group at the Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal, India
Il fenomeno, noto come effetto Leidenfrost, è il motivo per cui le padelle in acciaio inossidabile diventano improvvisamente antiaderenti quando vengono riscaldate ad alte temperature. Ma come può un'osservazione di 270 anni fa avere un'importanza per la progettazione di sistemi di accumulo di energia sostenibile? In uno studio recentemente pubblicato su Small, un team di ricercatori dell'Indian Institute of Science Education and Research (IISER) di Bhopal, dell'Indian Institute of Technology di Gandhinagar (IITGN), dell'Università di Swansea e della University of Southern Queensland ha esplorato il modo in cui questo insolito effetto fisico può aiutare a creare batterie più stabili e durature e ad emergere come alternativa pratica alla tecnologia agli ioni di litio (Li-ion).
Mentre il mondo si orienta verso le energie rinnovabili, la domanda di batterie migliori non è mai stata così alta. "Attualmente le batterie agli ioni di litio alimentano qualsiasi cosa, dagli smartphone alle auto elettriche", ha dichiarato il dottor Rohit Ranganathan Gaddam. È autore senior dello studio e professore assistente presso l'IISER di Bhopal, dove dirige il gruppo di ricerca sull'energia pulita e si concentra sul superamento dei colli di bottiglia negli attuali sistemi di stoccaggio dell'energia. "Tuttavia, il litio è relativamente raro e costoso da estrarre, rendendo necessaria un'alternativa più ecologica ed economica".
Il sodio è stato a lungo considerato come un potenziale sostituto del litio. Elemento onnipresente nell'acqua di mare, nel sale e persino nel sangue, il sodio è economico e facile da reperire. Ciò rende le batterie agli ioni di sodio un candidato forte per l'accumulo di energia su larga scala, soprattutto per le energie rinnovabili. Ma l'ingombro degli ioni di sodio rappresenta un ostacolo significativo. Gli ioni più pesanti finiscono per soffocare e consumare il catodo, il terminale positivo di una batteria che funge da cassaforte dell'energia. Affinché una batteria al sodio funzioni bene, il materiale utilizzato per il catodo deve consentire agli ioni di sodio di muoversi rapidamente e ripetutamente senza danneggiare la sua struttura. Esistono molti materiali promettenti, ma spesso mancano di velocità, stabilità o durata a lungo termine.
"Abbiamo deciso di costruire la giusta infrastruttura per il catodo, un'autostrada atomica, in modo che gli ioni di sodio potessero sfrecciare!" ha aggiunto Subhajit Singha, primo autore e dottorando presso l'IISER di Bhopal. Il team ha utilizzato Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), una miscela fosfato-pirofosfato a base di ferro che forma naturalmente una struttura 3D stabile simile a un tunnel. Conoscendo gli svantaggi in termini di conducibilità ed energia dei materiali catodici puramente a base di ferro, i ricercatori hanno sperimentato l'aggiunta di una piccola frazione di indio alla miscela.
È stato osservato che, sostituendo solo l'1% degli atomi di ferro con l'indio, la spaziatura atomica all'interno del potenziale materiale catodico è aumentata, senza alterare la sua struttura fondamentale. Ciò ha permesso agli ioni di sodio di scivolare più facilmente e ha migliorato la conduttività elettronica del materiale catodico, un segno distintivo delle batterie ad alte prestazioni.
Oltre a modificare la ricetta del materiale catodico, il team ha introdotto novità anche nel processo di produzione. "Abbiamo sfruttato le basi dell'effetto Leidenfrost per costruire materiali catodici che durano più a lungo e superano gli standard attualmente sul mercato", ha detto il dottor Gaddam. Hanno spruzzato la miscela chimica su una superficie metallica sufficientemente calda da innescare l'effetto Leidenfrost. Quando le gocce hanno colpito la piastra incandescente, hanno subito un'evaporazione istantanea, si sono fuse in particelle porose e sono state cotte in polvere. Questo metodo rapido ed ecologico evita i forni che consumano energia e produce grani simili a spugne che assorbono il fluido elettrolitico per un viaggio più fluido del sodio.
Misure avanzate e simulazioni computazionali hanno permesso di comprendere la ristrutturazione a livello atomico. I risultati hanno evidenziato come l'indio riorganizzi sottilmente la struttura atomica, ampliando i percorsi degli ioni, abbassando le barriere energetiche, migliorando la conduttività e mantenendo intatta la struttura cristallina del potenziale materiale catodico per migliaia di cicli.
"Il materiale catodico ottimizzato ha dimostrato un'elevata densità di energia, pari a circa 359 Wh kg-1, e una notevole durata, con prestazioni stabili per oltre 10.000 cicli di carica-scarica", ha dichiarato il dottor Raghavan Ranganathan, coautore e professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell'IITGN. Per fare un paragone, la maggior parte delle batterie di telefoni o laptop durano solo poche centinaia di cicli. Questo rende il materiale catodico generato ideale per l'accumulo di energia rinnovabile in sistemi che richiedono prestazioni di lunga durata.
Per l'India, che punta a 500 GW di energie rinnovabili entro il 2030, una versione scalata e testata a livello industriale delle batterie agli ioni di sodio con il nuovo catodo potrebbe significare uno stoccaggio di rete a prezzi accessibili per sfruttare l'energia solare ed eolica senza blackout. "Il nostro studio dimostra che una modifica strategica a livello atomico, combinata con una via di sintesi semplice e scalabile, può sbloccare prestazioni che in precedenza erano fuori portata per i catodi delle batterie agli ioni di sodio", ha dichiarato il dottor Gaddam.
In linea con le missioni energetiche nazionali e con gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite 7 (energia pulita a prezzi accessibili) e 11 (azione per il clima), lo studio rappresenta un passo avanti verso la riduzione della dipendenza dal litio, la facilitazione di catene di approvvigionamento più eque e la possibilità di immagazzinare energia verde a prezzi accessibili. "Questa fusione di competenze sperimentali e computazionali tra istituzioni e continenti dimostra che le stranezze storiche come il gelo di Leida possono dare vita a moderni centri di innovazione sostenibile!", ha commentato il dottor Ranganathan.
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
Subhajit Singha, Yuvraj Soni, Sharad Dnyanu Pinjari, Tasdique Arman, Rui Tan, Raghavan Ranganathan, Ashok Kumar Nanjundan, Rohit Ranganathan Gaddam; "Leidenfrost‐Assisted Synthesis of Indium‐Substituted Mixed Phosphate Cathodes with Superior Cycling Stability and Enhanced Sodium Storage Kinetics"; Small, 2026-2-4
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