Dal Giappone numeri eccellenti dagli anodi «hard carbon» delle celle sodio-ione
I valori di densità di energia di 312 Wh kg−1 dichiarati dagli scienziati asiatici sono già paragonabili a quelli migliori oggi riscontrabili in una batteria commerciale litio-ione con catodi ternari e anodi in grafite
Un team di ricercatori dell’Università delle Scienze di Tokyo ha scoperto come costruire celle agli ioni di sodio con prestazioni equivalenti alle tradizionali batterie agli ioni di litio con chimica LFP, superando le attuali sfide associate al peso atomico elevato del sodio rispetto al litio e quella dell’elevato potenziale standard dell’elettrodo di Na+/Na.
Questa ricerca è stata dettagliata in un nuovo studio, intitolato “New Template Synthesis of Anomalously Large Capacity Hard Carbon for Na- and K-Ion Batteries”, pubblicato da poco sulla rivista Advanced Energy Materials.
Sulle celle sodio-ione finora come materiali preferiti per gli anodi, in alternativa alla grafite che impera ancora nelle celle litio-ione, sono stati proposti soprattutto quelli a base carbonio (hard carbon, soft carbon), mentre altri percorsi di ricerca che comprendono leghe (con Sn, Sb eccetera) oppure ossidi o fosfati metallici di transizione sono stati ostacolati rispettivamente dalla tendenza alla espansione in volume nei cicli di ricarica e dalla bassa capacità.
“Questo è il primo studio a dimostrare che i materiali carboniosi derivati da gluconati di alcuni metalli e in particolare Zn-Glu, hanno proprietà notevoli come elettrodi negativi per NIB ricaricabili”. Questi materiali erano stati precedentemente studiati nel contesto di ricerca su materiali per elettrodi di condensatori a doppio strato e catalizzatori di reazioni di riduzione dell’ossigeno.
I ricercatori hanno affermato che i nuovi elettrodi offrono prestazioni “senza precedenti” e saranno in grado di offrirsi come valida alternativa per la produzione di batterie di prossima generazione per l’elettronica di consumo e i veicoli elettrici.
“Questo valore è equivalente alla densità energetica di alcuni tipi di batterie agli ioni di litio attualmente in commercio… ed oltre 1,6 volte la densità energetica delle prime batterie sodio-ione che il nostro laboratorio ha riportato nel 2011”, ha affermato il Professor Shinichi Komaba dell’Università delle Scienze di Tokyo che ha guidato il lavoro di ricerca.
Nella sintesi dell’hard carbon viene realizzata una “dima”, l’MgO formato dalla pirolisi del gluconato di Mg (Mg-Glu) funge da stampo per la formazione di nano-pori chiusi nel materiale dell’elettrodo negativo di questa cella sodio-ione.
Scrivono i ricercatori nel loro paper open access: “sebbene l’MgO sia un noto materiale modello per il controllo della struttura del carbonio, altri composti inorganici come le zeoliti, silice, ZnO, e CaCO3 sono stati utilizzati anche per preparare carbonio mesoporoso”.
Nello studio gli scienziati propongono una nuova “dima” di carbonio derivata dai sali di gluconato di Zn e Ca, “Zn-Glu” e “Ca-Glu”, per far luce sul potenziale di nuovi modelli inorganici per sintetizzare hard carbon per le celle sodio-ione e validi anche per quelle agli ioni di potassio. L’ottimizzazione di queste strutture per l’immagazzinamento del Na alterando le condizioni di sintesi può migliorare la capacità delle batterie agli ioni di sodio.
In questo studio applicabile a celle sodio-ione e a multi-valenti, gli hard carbon realizzati grazie alla “dima” ZnO (il materiale HC-Zn è visibile nella foto di apertura al centro in alto, tra gli hard carbon realizzati con “dima” Mg e quello con Ca) sono risultati particolarmente efficaci
Scrivono nel paper gli scienziati giapponesi: “ottimizzando la concentrazione di ZnO incorporata nella matrice di carbonio, utilizzando una miscela di gluconato di zinco e acetato di zinco come materiali di partenza, la dima ottimale di ZnO HC dimostra una capacità reversibile di 464 mAh g−1 con un’elevata efficienza coulombica iniziale del 91,7% e un basso potenziale medio di 0,18 V rispetto a Na/Na”.
Sebbene l’efficienza coulombica iniziale della cella non appaia poi così entusiasmante, più giustificato appare l’entusiasmo per il risultato in densità di energia: “una cella completa della batteria sodio-ione costituita da Na+5/6Ni1/3Fe1/6Mn1/6Ti1/3O2 e la “dima” ZnO HC ottimizzata dimostra una notevole densità di energia di 312 Wh kg−1, paragonabile a quella di una batteria agli ioni di litio con LiFePO4 e grafite”.
Se si fa un passo indietro e si compulsa l’ultimo aggiornamento dello state-of-the-art del settore sodio-ione nel quale ci aveva accompagnato poco più di due mesi fa il Professor Stefano Passerini, è facile comprendere come il potenziale di salto in avanti nella densità di energia sia molto interessante e anche degno di approfondimenti che accompagnino la ricerca dai laboratori giapponesi alle linee di produzione.
Quei valori appaiono adeguati a celle con catodi ternari ad elevate prestazioni, mentre sono ancora distanti per le migliori celle in versione LMFP, a base ferrosa con aggiunta di manganese che i produttori oggi propongono come alternativa alle celle commerciali NCM 622, in circolazione ormai da molto tempo e a minor contenuto di nichel.
Le migliori celle sodio-ione commerciali oggi arrivano ben di rado a densità di 200 Wh/kg e tuttavia già appaiono attraenti a sufficienza da indurre colossi come BYD ad allestire nuove Gigafactory da 30 GWh di capacità.
Con questa premessa e senza scordare il time to market connesso a progressi così importanti, le alternative al predominio della filiera litio-ione continuano ad apparire molto più di una curiosità scientifica e a gioco medio-lungo una concreta opportunità anche per settori come l’automotive meno disponibile a scendere a compromessi sulla scheda tecnica.
