Il laboratorio per l’accumulo e la conversione dell’energia del Prof. Y. Shirley Meng del Pritzker Molecular Engineering dell’Università di Chicago ha creato la prima batteria allo stato solido di sodio senza anodo al mondo.
Con questa ricerca, il LESC, una collaborazione tra la UChicago Pritzker School of Molecular Engineering e il Dipartimento di ingegneria chimica e nanotecnologia della famiglia Aiiso Yufeng Li dell’Università della California di San Diego, ha avvicinato più che mai la realtà di batterie economiche, a ricarica rapida e ad alta capacità per veicoli elettrici e l’accumulo in rete.
“Sebbene in passato siano esistite batterie al sodio, allo stato solido e senza anodo, nessuno è mai riuscito a combinare con successo queste tre idee finora”, ha affermato Grayson Deysher, dottorando presso l’UC San Diego e primo autore di un nuovo articolo che descrive il lavoro del team.
L’articolo, pubblicato oggi su Nature Energy, illustra una nuova architettura di batteria al sodio con cicli stabili per diverse centinaia di cicli. Rimuovendo l’anodo e utilizzando sodio, economico e abbondante, al posto del litio, questa nuova forma di batteria sarà più economica ed ecologica da produrre. Grazie al suo innovativo design a stato solido, la batteria sarà anche sicura e potente.
Questo lavoro rappresenta sia un progresso scientifico sia un passo necessario per colmare il divario dimensionale delle batterie necessario per abbandonare i combustibili fossili nell’economia mondiale.
“Per far funzionare gli Stati Uniti per un’ora, dobbiamo produrre un terawattora di energia”, ha affermato Meng. “Per realizzare la nostra missione di decarbonizzazione dell’economia, abbiamo bisogno di diverse centinaia di terawattora di batterie. Abbiamo bisogno di più batterie, e ne abbiamo bisogno in fretta.”
Sostenibilità e sodio
Il litio comunemente usato per le batterie non è così comune. Costituisce circa 20 parti per milione della crosta terrestre, rispetto alle 20.000 parti per milione del sodio.
Questa scarsità , unita all’aumento della domanda di batterie agli ioni di litio per computer portatili, telefoni e veicoli elettrici, ha fatto schizzare alle stelle i prezzi, rendendo le batterie necessarie ancora più irraggiungibili.
Anche i giacimenti di litio sono concentrati. Il “Triangolo del Litio” formato da Cile, Argentina e Bolivia detiene oltre il 75% della riserva mondiale di litio, con altri giacimenti in Australia, Carolina del Nord e Nevada. Questo favorisce alcune nazioni rispetto ad altre nella decarbonizzazione necessaria per contrastare il cambiamento climatico.
“Per agire a livello globale è necessario lavorare insieme per accedere a materiali di importanza critica”, ha affermato Meng.
Anche l’estrazione del litio è dannosa per l’ambiente, sia che si tratti degli acidi industriali utilizzati per scomporre i minerali minerari, sia della più comune estrazione di salamoia che pompa enormi quantità di acqua in superficie per farla essiccare.
Il sodio, comune nell’acqua di mare e nell’estrazione di carbonato di sodio, è un materiale per batterie intrinsecamente più ecologico. La ricerca del LESC lo ha reso anche più efficace.
Architettura innovativa
Per creare una batteria al sodio con la densità energetica di una batteria al litio, il team ha dovuto inventare una nuova architettura di batteria al sodio.
Le batterie tradizionali hanno un anodo che immagazzina gli ioni mentre la batteria è in carica. Mentre la batteria è in uso, gli ioni fluiscono dall’anodo attraverso un elettrolita fino a un collettore di corrente (catodo), alimentando dispositivi e automobili lungo il percorso.
Le batterie senza anodo rimuovono l’anodo e immagazzinano gli ioni tramite una deposizione elettrochimica di metallo alcalino direttamente sul collettore di corrente. Questo approccio consente una tensione di cella più elevata, costi di cella inferiori e una maggiore densità energetica, ma comporta anche delle sfide.
“In qualsiasi batteria senza anodo è necessario un buon contatto tra l’elettrolita e il collettore di corrente”, ha affermato Deysher. “Questo è in genere molto semplice quando si utilizza un elettrolita liquido, poiché il liquido può fluire ovunque e bagnare ogni superficie. Un elettrolita solido non può farlo.”
Tuttavia, questi elettroliti liquidi creano un accumulo chiamato interfase elettrolitica solida, consumando progressivamente i materiali attivi e riducendo l’utilità della batteria nel tempo.
Un solido che scorre
Il team ha adottato un approccio innovativo e innovativo a questo problema. Invece di utilizzare un elettrolita che circonda il collettore di corrente, hanno creato un collettore di corrente che circonda l’elettrolita.
Hanno creato il loro attuale collettore utilizzando polvere di alluminio, un solido che può scorrere come un liquido.
Durante l’assemblaggio della batteria, la polvere è stata densificata ad alta pressione per formare un solido collettore di corrente, mantenendo al contempo un contatto simile a quello di un liquido con l’elettrolita, consentendo il ciclo a basso costo e ad alta efficienza che può far progredire questa tecnologia rivoluzionaria.
“Le batterie allo stato solido al sodio sono solitamente considerate una tecnologia lontana nel futuro, ma speriamo che questo articolo possa dare impulso a un maggiore impulso nel settore del sodio, dimostrando che può effettivamente funzionare bene, in alcuni casi persino meglio della versione al litio”, ha affermato Deysher.
L’obiettivo finale? Meng immagina un futuro energetico con una varietà di batterie pulite ed economiche che immagazzinano energia rinnovabile, dimensionate per soddisfare le esigenze della società .
Meng e Deysher hanno depositato una domanda di brevetto per il loro lavoro presso l’ufficio per l’innovazione e la commercializzazione dell’Università della California a San Diego.