Nel campo delle batterie non mancano tipologie assurde come il litio-zolfo, il litio-ossigeno, o addirittura le sodio-aria, che di recente hanno raggiunto un nuovo traguardo a livello di efficienza, stando all’ultima ricerca condotta dal POSTECH in Corea del Sud. Ma prima di vedere lo studio in questione, chiariamo brevemente cosa siano le batterie sodio-aria, e come mai sono così promettenti.
Batterie sodio-aria: cosa sono
Appartenenti alla categoria delle batterie metallo-aria, le batterie sodio-aria sono caratterizzate dalla capacità di utilizzare sodio e aria in modo reversibile e senza l’ausilio di attrezzature speciali, garantendo una densità energetica (teorica) molto elevata. Un notevole passo avanti nel campo degli accumulatori di nuova generazione!
Tuttavia, parlare di “aria” sarebbe improprio, visto che queste batterie dipendono generalmente dall’uso di ossigeno puro per formare e decomporre ossidi metallici, e non dall’aria come la intendiamo comunemente. L’uso di ossigeno puro è anche molto complesso a causa delle interazioni chimiche che intercorrono dentro la cella. Infatti i componenti atmosferici come il diossido di carbonio e l’acqua portano alla formazione di carbonati o idrossidi difficili da decomporre mediante tradizionali metodi elettrochimici.
In genere per ovviare al problema dell’ossigeno puro si ricorre ad apparecchiature aggiuntive come membrane per la permeazione dell’ossigeno, che da una parte riescono a purificare e/o selezionare l’ossigeno atmosferico, ma dall’altra possono ridurre sostanzialmente la densità energetica, gravimetrica e volumetrica che potrebbero raggiungere tali batterie.
Ed è su questo punto su cui si è basato il recente studio condotto dal POSTECH, con lo sviluppo di un conduttore capace di gestire questa problematica.
La soluzione di POSTECH
Guidato dai professori Byoungwoo Kang e Heetaek Park, provenienti dal Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Pohang University of Science and Technology (POSTECH), il lavoro di questo team ha portato a una scoperta eccezionale che potrebbe rivoluzionare il settore delle batterie.
Perché va a risolvere l’annoso problema dei carbonati, e lo fa con Nasicon, un conduttore superionico contenente elementi come sodio (Na), silicio (Si) e zirconio (Zr). Funziona come un elettrolita solido, e permette il movimento degli ioni nello stato solido, mantenendo un’alta stabilità elettrochimica e chimica e proteggendo gli elettrodi di sodio dall’esposizione all’aria. Così da facilitare la decomposizione dei nostri carbonati che si formano durante il funzionamento delle celle.
Ma come funziona Nasicon? In pratica grazie alla reazione elettrochimica, Nasicon permette di aumentare la densità energetica delle batterie, elevando la loro tensione operativa e riducendo significativamente il gap di tensione durante i processi di carica e scarica, migliorando così l’efficienza energetica.
Oltre a dimostrare prestazioni cinetiche superiori senza richiedere attrezzature speciali per la filtrazione dell’ossigeno, queste batterie sodio-aria hanno raggiunto in sede di test un’efficienza energetica superiore all’86% a 0,1 mA/cm2 su 100 cicli.
Per saperne di più sullo studio, consigliamo la lettura del paper pubblicato su Nature Communications.
Heetaek Park, Minseok Kang, Donghun Lee, Jaehyun Park, Seok Ju Kang & Byoungwoo Kang, Activating reversible carbonate reactions in Nasicon solid electrolyte-based Na-air battery via in-situ formed catholyte, Nature Communications (2024), DOI: s41467-024-47415-0.
