Le batterie al sodio stanno guadagnando terreno come alternativa più economica e sostenibile alle tradizionali batterie al litio. Un recente studio pubblicato su Nature Communications da Zongfu Sun e colleghi dell’Università di Tianjin ha scoperto un metodo innovativo per ottimizzare la struttura del carbonio duro il materiale preferito per gli anodi in queste batterie.
Il sodio, essendo più abbondante e meno costoso del litio, rappresenta una soluzione promettente per ridurre i costi delle batterie e migliorare la sostenibilità ambientale. Tuttavia, la sfida principale è stata sempre quella di garantire prestazioni costanti e affidabili. La scoperta dell’Università di Tianjin potrebbe essere la chiave per superare questo ostacolo.
Il ruolo cruciale del carbonio duro
Il carbonio duro è diventato il materiale di riferimento per gli anodi delle batterie al sodio grazie alla sua struttura porosa e disordinata. A differenza della grafite, che non riesce a ospitare stabilmente gli ioni di sodio più grandi, il carbonio duro offre una soluzione efficace. La sua struttura permette agli ioni di muoversi liberamente attraverso due meccanismi complementari: l’intercalazione tra i piani di carbonio e l’adsorbimento nei pori.
Questa combinazione consente al carbonio duro di raggiungere capacità reversibili superiori a 300 mAh/g con una stabilità che si mantiene per centinaia o migliaia di cicli di carica e scarica. Inoltre, i precursori utilizzati per produrre il carbonio duro, come gusci di cocco, carbone o scarti agricoli, sono molto più economici delle materie prime richieste per gli anodi al litio.
L’innovazione del trattamento termico a 900 °C
Lo studio pubblicato su Nature Communications si concentra su un accoppiamento termico-meccanico durante la carbonizzazione a 900 °C. Durante questa fase, il precursore organico si trasforma progressivamente in carbonio. Regolando temperatura e forze applicate, i ricercatori sono riusciti a orientare la distanza fra i piani turbostratici, gli strati di carbonio disallineati che caratterizzano il materiale.
Il punto chiave è il bilanciamento tra capacità sloping e capacità plateau. La capacità sloping deriva dall’adsorbimento superficiale, mentre la capacità plateau dal riempimento dei micropori interni. Questo equilibrio è cruciale per le prestazioni della cella finita. Una review recente su Advanced Materials conferma che parametri come temperatura di carbonizzazione, tempo di permanenza e velocità di riscaldamento modulano proprio questo equilibrio.
Applicazioni industriali e vantaggi economici
Le celle sodio-ione con anodo in carbonio duro mostrano migliaia di cicli con capacità residua intorno all’80% e intervalli operativi che possono estendersi in larga parte tra temperature sottozero e condizioni calde. Tuttavia, il vero collo di bottiglia resta la capacità produttiva, non la chimica.
Alcuni produttori hanno già dichiarato di aver affrontato criticità di scala analoghe, come il rigonfiamento del materiale durante la produzione, tramite tecniche di controllo dei pori a livello dell’angstrom e trattamenti superficiali che limitano l’assorbimento di umidità. Il lavoro dell’Università di Tianjin si inserisce in questo filone, applicato a batterie pouch, cioè celle a involucro flessibile.
Un caso citato spesso come esempio industriale è quello di aziende che ricavano il carbonio duro da scarti agricoli, riducendo costi e impatto ambientale a fronte di un controllo più stretto del trattamento termico. Questo approccio potrebbe essere la chiave per rendere le batterie al sodio una soluzione competitiva nel mercato delle auto elettriche.
Resta da vedere se il metodo a 900 °C descritto dai ricercatori di Tianjin superi la fase di laboratorio e arrivi alle linee di produzione su scala industriale. Questo passaggio rappresenterebbe un vero e proprio salto di qualità per le batterie al sodio, permettendo loro di competere con le alternative già esplorate nel confronto tra batterie sodio-ione e litio per le auto elettriche.