I ricercatori della Brown University (Stati Uniti) hanno studiato il comportamento dell’accumulo di sodio nei materiali carboniosi utilizzati nelle batterie agli ioni di sodio, con l’obiettivo di migliorarne la fattibilità commerciale per applicazioni di accumulo di energia rinnovabile stazionaria.
“Il nostro lavoro fornisce linee guida per la sintesi di materiali anodici in grado di massimizzare le prestazioni complessive della batteria”, ha affermato l’autore principale Lincoln Mtemeri. “I nostri risultati offrono alcune delle prime specifiche di progettazione concrete per la produzione in laboratorio di anodi in carbonio duro — o di altri materiali carboniosi con strutture porose simili. Questo potrebbe aprire la strada all’uso commerciale futuro delle batterie agli ioni di sodio”.
I ricercatori hanno spiegato che il carbonio duro è ampiamente considerato un materiale anodico promettente per le batterie agli ioni di sodio, grazie alla sua combinazione unica di struttura, chimica e proprietà di trasporto. La sua natura disordinata, porosa e conduttiva consente un efficiente accumulo di ioni, un rapido trasporto di carica e una stabilità elettrochimica di lungo periodo. Tuttavia, il team ha osservato che il meccanismo di sodiazione nel carbonio duro è ancora poco compreso, a causa della complessità della sua struttura. Questa scarsa comprensione ha inoltre limitato lo sviluppo di modelli teorici in grado di quantificare accuratamente la tensione a circuito aperto del materiale.
Nello studio intitolato “Structural descriptors controlling pore-filling mechanism in hard carbon electrode during sodiation”, pubblicato su ESS Batteries, i ricercatori hanno esaminato il carbonio templato su zeolite (ZTC), un materiale carbonioso nanoporoso sintetizzato utilizzando zeoliti come stampi rigidi, che permette un controllo preciso della dimensione dei pori e percorsi di diffusione degli ioni ben definiti.
Il team ha utilizzato la teoria del funzionale della densità (DFT), un metodo computazionale quantomeccanico impiegato per calcolare la struttura elettronica di atomi, molecole e solidi, al fine di analizzare il comportamento del sodio all’interno dei nanopori. Le simulazioni hanno mostrato che, quando gli atomi di sodio penetrano nei pori, inizialmente si legano alle pareti porose attraverso interazioni ioniche. Una volta che le superfici dei pori sono completamente occupate, il sodio aggiuntivo si accumula al centro dei pori, formando cluster metallici.
I ricercatori hanno scoperto che due meccanismi di accumulo del sodio — adsorbimento ionico lungo le pareti dei pori e aggregazione metallica nei centri — svolgono un ruolo cruciale nelle prestazioni della batteria. La coesistenza di sodio ionico e sodio metallico aiuta a mantenere un basso potenziale anodico, aumentando così la tensione complessiva della batteria (definita come differenza tra il potenziale del catodo e quello dell’anodo). Allo stesso tempo, il sodio ionico sopprime la deposizione di sodio metallico, che altrimenti potrebbe causare cortocircuiti tra pori adiacenti.
“Questo ci aiuta a determinare la dimensione ottimale dei pori”, ha spiegato Mtemeri. “Mostriamo che una dimensione di circa un nanometro mantiene il bilancio desiderato tra ionicità e metallicità”.
Guardando al futuro, i ricercatori affermano che i descrittori sviluppati nello studio — tra cui dimensione dei pori, volume specifico e topologia del carbonio — potrebbero fungere da linee guida pratiche per ottimizzare gli elettrodi a base di carbonio nelle batterie agli ioni di sodio.
“Il sodio è mille volte più abbondante del litio, il che lo rende un’opzione più sostenibile”, ha sottolineato la coautrice Yue Qi. “Ora sappiamo esattamente quali caratteristiche dei pori sono determinanti, e questo ci consente di progettare di conseguenza i materiali anodici”.
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