L’impiego del Nasicon nelle batterie sodio-aria allo stato solido
Realizzata una batteria sodio-aria allo stato solido in grado di utilizzare direttamente l’ossigeno atmosferico e con ottimi risultati sulle prestazioni. Il merito va al gruppo guidato dal professor Byoungwoo Kang e dal dottor Heetaek Park del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Pohang (POSTECH), in Corea del Sud. Il team è riuscito a compiere un notevole passo avanti nel campo delle batterie metallo-aria eliminando la necessità di componenti particolari, quali le membrane selettive per l’ossigeno atmosferico. Per capire la portata dell’innovazione è opportuno, però, fare alcune piccole precisazioni.
Batterie metallo-aria, vantaggi e svantaggi
Le batterie ricaricabili classificate come metallo-aria rappresentano un campo particolarmente interessante per la ricerca sull’accumulo grazie ad una densità di energia gravimetrica teorica eccezionalmente elevata. Attualmente, tuttavia, si basano per lo più sull’impiego di ossigeno puro anziché sull’aria ambientale. Perché? Perché usando l’aria le interazioni chimiche che si verificherebbero tra i prodotti di scarica e i costituenti atmosferici come la CO2 e l’H2O porterebbero alla formazione di carbonati e idrossidi metallici particolarmente stabili.
Una possibile soluzione è l’impiego di membrane selettive per l’O2, che lo catturino e lo purifichino dagli altri gas atmosferici. Queste membrane, però, possono ridurre sostanzialmente le densità di energia gravimetrica e volumetrica raggiungibili.
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La nuova batteria sodio-aria allo stato solido
Per affrontare il problema, gli scienziati hanno utilizzato Nasicon, un conduttore superionico a base di sodio, come elettrolita solido. Il Nasicon, che incorpora anche silicio e zirconio, è capace di movimento ionico dimostrando allo stesso tempo un’elevata stabilità elettrochimica e chimica.
Sfruttando questo composto, il gruppo ha prodotto una nuova batteria sodio-aria allo stato solido senza membrane selettive e in cui gli elettrodi metallici in sodio sono protetti dall’aria. Ma soprattutto ha “innescato” la decomposizione del carbonato formatosi durante il funzionamento della cella elettrochimica.
“Di conseguenza – spiega il POSTECH in una nota stampa – la reazione elettrochimica reversibile che coinvolge il carbonato ha portato ad un aumento della densità energetica della cella aumentando la tensione di lavoro e riducendo significativamente il gap di tensione durante la carica e la scarica, migliorando così l’efficienza”. I test hanno dimostrato che la nuova batteria sodio-aria allo stato solido raggiunge un’efficienza energetica superiore all’86% a 0,1 mA/cm2 su 100 cicli. Inoltre ha mostrato una capacità cinetica superiore attraverso il catolita formato in situ, che ha una rapida conduzione degli ioni sodio all’interno dell’elettrodo.
“Abbiamo ideato un metodo per sfruttare il carbonato, una sfida di lunga data nello sviluppo di batterie metallo-aria ad alta energia”, ha commentato il professor Kang. “Speriamo di guidare il settore nella prossima generazione di batterie metalliche interamente a stato solido“. La ricerca è stata pubblica su Nature Communications (testo in inglese).