Nuova chance per le batterie al sodio senza anodo
(Rinnovabili.it) – Quando si tratta di batterie ricaricabili, gli ioni di litio rapprendano la migliore tecnologia disponibile in termini di densità energetica e convenienza. Almeno per ora. La ricerca di settore sta tentando di trovare un sostituto che possa battere questi dispositivi su costo, sicurezza ed efficienza. Un’impresa a cui ha preso parte anche l’Università di Washington a St.Louis. Qui, infatti, l’ingegnere Peng Bai ha sviluppato una batteria al sodio senza anodo dalle grandi potenzialità.
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Una tradizionale batteria agli ioni di litio è costituita da 2 elettrodi – un catodo e un anodo – che immagazzinano gli ioni, un separatore e un elettrolita – il liquido attraverso il quale si muovono gli ioni. Mettere mano a questa specifica architettura non è una novità. Per anni si è testato il sodio metallico in sostituzione del litio, raggiungendo ragguardevoli progressi. E in alcuni casi sono state anche elaborate celle in grado di funzionare senza l’anodo. Il nuovo progetto dell’università di Washington è partito da qui.
“Abbiamo usato la vecchia chimica”, spiega Peng Bai. “Ma il problema è stato che, con questa chimica ben nota, nessuno ha mai dimostrato […] una durata ragionevole. (Le batterie) si guastano sempre molto rapidamente o hanno una capacità molto bassa; o ancora richiedono un’elaborazione speciale del collettore di corrente”, elemento che raccoglie gli elettroni liberi mentre la batteria si scarica.
Il principale problema delle batterie al sodio senza anodo consiste nella alta reattività dei metalli alcalini. Un fattore che, nei cicli di carica-scarica, determina la crescita di dendriti acuminati. Queste ramificazioni aghiformi possono causare il cortocircuito della batteria o semplicemente un rapido degrado.
Una cella diagnostica trasparente per le batterie al sodio
Nella batterie di nuova concezione, gli ingegneri dell’ateneo americano hanno inserito un sottile strato di foglio di rame sul lato dell’anodo come collettore di corrente. Durante la carica, gli ioni sodio passano dal catodo alla lamina di rame, trasformandosi in una placcatura di metallo lucida e liscia. Quindi, quando la batteria si scarica, il materiale si dissolve e gli ioni tornano al catodo.
Gli scienziati hanno osservato le prestazioni delle loro batterie al sodio senza anodo in tempo reale attraverso una cella capillare trasparente appositamente costruita. Tale elemento ha permesso loro di individuare eventuali problemi e apportare modifiche, come la riduzione del contenuto di acqua nell’elettrolita per limitare le reazioni con il metallo alcalino sodico, che normalmente può portare alla formazione dendriti.
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Nonostante il minor costo dovuto all’uso del sodio, e le ridotte dimensioni dovute all’eliminazione di uno degli elettrodi, gli scienziati spiegano che il nuovo dispositivo ha prestazioni simili a quelle di una tradizionale batteria agli ioni di litio. “Abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare la configurazione più semplice per abilitare la migliore batteria”, ha detto Bai. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science Advances (testo in inglese).
Le batterie al sodio ione senza ANODO implicano una tecnologia semplice in cui al posto dell’Intercalazione-Disintercalazione di una struttura carboniosa-grafitica si considera all’elettrodo negativo un ANODO FITTIZIO costituito da un metallo nobile per esempio il rame su cui si fa RIDURRE lo ione sodio creando cosi’ una placcatura lucente di metallo SODIO su rame. La placcatura avviene in FASE DI CARICA della batteria secondo il meccanismo della sedia a Dondolo” . Nella fase di SCARICA avviene la reazione spontanea della redox che così fornisce energia elettrica all’ambiente. La reazione tipo potrebbe essere cosi’ configurata:
—————-> CARICA
Cu +[ xNa+[ANIONE]x-] = CuNay + [Na(x-y)+ + (ANIONE)(x-)] -y
SCARICA <—————
È da ricordare che in tale configurazione grande importanza possiede la soluzione ionica conduttrice che generalmente è allo stato solido come miscela di più ossidi. Per esempio nel caso di batterie agli ioni di litio si usa la miscela solida ionica: Li7La3Zr2O12 . La reazione è esattamente uguale a quella della batteria al sodio sostituendo il sodio con il Litio. Come il lettore può intuire il problema è soprattutto la ricerca minuziosa e complessa dei materiali utili allo scopo. Tuttavia con tale metodo di placcatura anodica non è più necessario eseguire l’intercalazione del Litio nella grafite purissima o del sodio nello zucchero bruciato ecc. ecc.
Scrivo questo secondo commento in quanto la batteria SENZA Anodo ha avuto successo ed è stata applicata anche alle batterie al Litio. Si osservi che in tal caso il sistema necessità di un solido ionico conduttore costituito da una miscela di ossidi:
Li7La3Zr2O12