Novità del settore

Fare disordine per una batteria ideale: struttura disordinata ma altamente simmetrica

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia delle batterie, Fisica Molecolare, Università di Ginevra
A cura dell'UNIVERSITÀ DI GINEVRA 12 OTTOBRE 2020



Superficie tridimensionale di diffusione di ioni sodio in un cristallo di idroborato. Questo nuovo materiale forma una struttura disordinata ma altamente simmetrica, consentendo una mobilità del sodio paragonabile a quella del litio nelle batterie commerciali. Credito: © UNIGE/Brighi

La produzione di batterie più sicure e potenti che utilizzano risorse geopoliticamente stabili richiede elettroliti solidi e la sostituzione del litio con il sodio. Una soluzione chimica viene ora offerta agli sviluppatori di batterie.

Le batterie al litio che alimentano i nostri dispositivi elettronici e veicoli elettrici presentano una serie di inconvenienti. L'elettrolita, il mezzo che consente agli elettroni e alle cariche positive di spostarsi tra gli elettrodi, è un liquido infiammabile. Inoltre, il litio di cui sono fatti è una risorsa limitata che è al centro di importanti questioni geopolitiche.

Gli specialisti in cristallografia dell'Università di Ginevra (UNIGE) hanno sviluppato un elettrolita solido non infiammabile che opera a temperatura ambiente. Trasporta sodio, che si trova ovunque sulla terra, invece del litio. È una combinazione vincente che significa anche che è possibile produrre batterie più potenti.

Le proprietà di queste batterie “ideali” sarebbero basate sulla struttura cristallina dell'elettrolita, un idroborato costituito da boro e idrogeno. Il team di ricerca dell'UNIGE ha pubblicato una vera cassetta degli attrezzi sulla rivista Cell Reports Physical Science contenente la strategia per la produzione di elettroliti solidi destinati agli sviluppatori di batterie.

La sfida di immagazzinare energia è colossale per le iniziative di sostenibilità. Lo sviluppo di veicoli elettrici che non emettono gas serra dipende infatti dall'esistenza di batterie potenti e sicure, così come lo sviluppo delle energie rinnovabili – solare ed eolico – dipende dalle capacità di accumulo di energia. Le batterie al litio sono la risposta attuale a queste sfide. Sfortunatamente, il litio richiede elettroliti liquidi, che sono altamente esplosivi in ​​caso di perdita. “Inoltre, il litio non si trova ovunque sulla terra e crea problemi geopolitici simili a quelli che circondano il petrolio. Il sodio è un buon candidato per sostituirlo perché ha proprietà chimiche e fisiche vicine al litio e si trova ovunque”, sostiene Fabrizio Murgia, borsista post-dottorato presso la Facoltà di Scienze dell'UNIGE.

Una temperatura troppo alta

I due elementi – sodio e litio – sono vicini l'uno all'altro nella tavola periodica. «Il problema è che il sodio è più pesante del suo cugino litio. Ciò significa che ha difficoltà a farsi strada nell'elettrolita della batteria", aggiunge Matteo Brighi, borsista post-dottorato presso l'UNIGE e primo autore dello studio. Di conseguenza, è necessario sviluppare elettroliti in grado di trasportare cationi come il sodio. Nel 2013 e 2014, gruppi di ricerca giapponesi e americani hanno identificato gli idroborati come buoni conduttori di sodio a oltre 120°C. A prima vista si tratta di una temperatura eccessiva per l'uso quotidiano delle batterie… ma una manna dal cielo per il laboratorio di Ginevra!
Con decenni di esperienza negli idroborati utilizzati in applicazioni come lo stoccaggio dell'idrogeno, i cristallografi di Ginevra hanno iniziato a lavorare sull'abbassamento della temperatura di conduzione. â€Abbiamo ottenuto ottimi risultati con ottime proprietà compatibili con le batterie. Siamo riusciti a utilizzare idroborati come elettrolita dalla temperatura ambiente a 250 gradi Celsius senza problemi di sicurezza. Inoltre, resistono a differenze di potenziale più elevate, il che significa che le batterie possono immagazzinare più energia", continua Radovan Cerny, professore al Laboratorio di Cristallografia dell'UNIGE e capo progetto.

La soluzione: un disturbo

La cristallografia - una scienza posizionata tra mineralogia, fisica e chimica - viene utilizzata per analizzare e comprendere le strutture delle sostanze chimiche e prevederne le proprietà. Grazie alla cristallografia è possibile progettare materiali. È questo approccio cristallografico che è stato utilizzato per implementare le strategie di produzione pubblicate dal trio di ricercatori con sede a Ginevra. "Il nostro articolo offre esempi di strutture che possono essere utilizzate per creare e distruggere gli idroborati", afferma Murgia. La struttura degli idroborati consente l'emergere di sfere di boro e idrogeno con carica negativa. Questi spazi sferici lasciano spazio sufficiente per il passaggio degli ioni di sodio caricati positivamente. â€Tuttavia, siccome le cariche negative e positive si attraggono, dovevamo creare disordine nella struttura per disgregare gli idroborati e permettere al sodio di muoversi†continua Brighi.

Riferimento: "Closo-Hydroborate Sodium Salts as an Emerging Class of Room-Temperature Solid Electrolytes" di Matteo Brighi, Fabrizio Murgia e Radovan ÄŒerný, 7 ottobre 2020, Cell Reports Physical Science.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100217

L'articolo è un toolkit progettato per gli sviluppatori di batterie. Dovrebbe dare origine a una nuova generazione di batterie più stabili e più potenti. La Svizzera è la patria di un vero know-how esiste grazie alla stretta collaborazione tra UNIGE e EMPA a Dübendorf. Le due istituzioni stanno attualmente lavorando alla creazione di una solida batteria al sodio da 4V, che sarà più potente della 3V rilasciata nel 2019. Un autentico prodotto Made in Switzerland!