Antimonio per le batterie

La caccia è aperta. ? partita la caccia a nuovi materiali per la prossima generazione di batterie che un giorno sostituiranno quelle agli ioni di litio. Attualmente queste batterie forniscono energia affidabile a smartphone, computer portatili e molti altri dispositivi elettronici portatili. Tuttavia, l'elettromobilità e i sistemi di accumulo di energia stazionari richiedono batterie sempre più potenti e la conseguente elevata domanda di litio potrebbe portare a una carenza di questa materia prima. Sono quindi necessarie batterie concettualmente identiche a quelle agli ioni di litio, ma basate su ioni di sodio. Sebbene la ricerca su questo tema sia in corso da 20 anni, sorprendentemente poco si sa sui materiali che possono immagazzinare in modo efficiente gli ioni di sodio.

Elettrodo in antimonio?

I ricercatori del Fare all'ETH di Zurigo e dell'Empa, guidati da Maksym Kovalenko, potrebbero aver fatto un passo avanti nella ricerca di materiali alternativi per le batterie: Sono i primi ad essere riusciti a sintetizzare nanocristalli uniformi di antimonio. Grazie alle loro particolari proprietà, sono adatti come materiali anodici sia per gli ioni di litio che per quelli di sodio. I risultati del loro studio sono stati appena pubblicati su Nano Letters.

L'antimonio è stato a lungo considerato un promettente materiale anodico per le batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni, in quanto questo semimetallo ha una capacità di carica doppia rispetto alla grafite, materiale anodico attualmente utilizzato. Gli studi iniziali hanno dimostrato che l'antimonio potrebbe essere adatto per le batterie ricaricabili al sodio e agli ioni di litio, perché può immagazzinare entrambi gli ioni. Il sodio è un'alternativa potenzialmente più favorevole al litio, in quanto si trova molto più frequentemente in natura ed è più uniformemente distribuito sulla terra rispetto al litio.

Nanocristalli con vantaggi

Affinché l'antimonio raggiunga la sua elevata capacità di accumulo, tuttavia, deve essere modellato in una forma speciale. Kovalenko e il suo team hanno sviluppato un metodo per sintetizzare nanocristalli uniformi. I ricercatori sono così riusciti a produrre nanocristalli di antimonio monodispersi nelle classi di dimensioni di 10 e 20 nanometri.

I nanocristalli presentano vantaggi decisivi rispetto ai cristalli più grandi. L'antimonio è soggetto a grandi cambiamenti di volume quando gli ioni vengono caricati e scaricati. Nei nanocristalli, questi cambiamenti di volume sono reversibili e avvengono rapidamente. L'antimonio "normale", invece, diventerebbe fragile. Un altro importante vantaggio: le nanoparticelle di antimonio possono essere mescolate con materiale di riempimento al carbonio conduttivo. In questo modo si evita che le nanoparticelle si aggreghino tra loro.

Il candidato preferito per il materiale anodico

I test di laboratorio hanno dimostrato a Kovalenko e ai suoi collaboratori che gli elettrodi fatti di nanocristalli di antimonio hanno le stesse prestazioni elevate per entrambi i tipi di ioni. Questo rende le nanoparticelle di antimonio particolarmente adatte all'uso nelle batterie agli ioni di sodio, perché i migliori materiali per la conservazione del litio finora disponibili, grafite e silicio, non funzionano con il sodio.

L'elevata uniformità dei nanocristalli (solo il 10% o meno si discosta dalle dimensioni medie delle particelle) ha permesso ai ricercatori di determinare il miglior rapporto tra dimensioni e prestazioni. I ricercatori hanno scoperto che i nanocristalli di antimonio con una dimensione di 20 nanometri offrono le migliori prestazioni. Se le particelle sono di 10 nanometri o anche più piccole, il rapporto tra volume e superficie diventa sfavorevole e si ossidano rapidamente. I cristalli di dimensioni superiori a 100 nanometri, invece, vengono distrutti dalle suddette variazioni di volume durante la carica e la scarica.

Alternativa più costosa

Questo significa che un'alternativa alle attuali batterie agli ioni di litio è a portata di mano? Kovalenko lo esclude. La produzione di nanocristalli di antimonio uniformi in quantità e qualità sufficienti è ancora troppo costosa, anche se il processo in sé è relativamente semplice. "Nel complesso, le batterie con ioni di sodio e nanocristalli di antimonio come materiale anodico sono un'alternativa promettente alle attuali batterie agli ioni di litio solo se i costi di produzione della batteria e le prestazioni del sistema di accumulo dell'energia sono comparabili", afferma Kovalenko.

Un altro risultato importante di questo studio è che non è così importante utilizzare nanoparticelle ultra-uniformi in un elettrodo per ottenere prestazioni elevate. L'antimonio è relativamente "buono di natura". I ricercatori hanno anche scoperto che le particelle possono avere dimensioni comprese tra 20 e 100 nanometri senza compromettere la densità energetica o la velocità di scarica e carica. Altri materiali testati dai chimici sono meno tolleranti da questo punto di vista. Se le dimensioni delle particelle aumentano, queste caratteristiche di prestazione diminuiscono drasticamente. L'antimonio occupa quindi una posizione unica tra i materiali che formano composti con litio e sodio.

"Questo rende molto più facile sviluppare una sintesi economicamente fattibile per la formazione dei cristalli", sottolinea l'ETH. Questo è anche il prossimo passo del suo gruppo per trovare un metodo di sintesi più favorevole insieme al partner industriale. Kovalenko stima che probabilmente ci vorranno almeno dieci anni prima che una batteria agli ioni di sodio con un elettrodo di antimonio possa arrivare sul mercato. La ricerca in questo campo è ancora agli inizi.