30 gennaio 2024
(Faretto Nanowerk) La transizione verso l'energia rinnovabile eolica e solare si trova di fronte a un ostacolo cruciale a causa della mancanza di opzioni accessibili per lo stoccaggio dell'energia su larga scala. Senza batterie a livello di rete economicamente vantaggiose, i problemi di fluttuazione e intermittenza rendono impraticabile l’adozione diffusa della generazione sostenibile. Dopo aver promesso passi avanti nella riduzione delle spese di produzione di componenti come pannelli solari e turbine eoliche, la tecnologia di stoccaggio è emersa come l’ultimo ostacolo rimasto da superare. Nonostante l’intensa attività di ricerca e sviluppo delle principali aziende produttrici di batterie, i prodotti chimici prevalenti agli ioni di litio faticano a raggiungere la combinazione di prezzi bassi, sicurezza, stabilità e ciclo di vita elevato richiesto per questa applicazione. Il potenziale emergente delle batterie agli ioni di sodio ha rilanciato gli sforzi, ma il loro successo dipende dallo sviluppo di elettrodi adatti senza materiali eccessivamente rari o tossici. In un articolo pubblicato in Materiali funzionali avanzati (“Materiali sostenibili derivati dal tè”), un team guidato dal dottor Xingcai Zhang dell'Università di Harvard descrive in dettaglio il loro sviluppo di un anodo per batteria agli ioni di sodio ad alte prestazioni utilizzando un materiale innovativo derivato dalle foglie di tè di scarto. Basandosi sui recenti progressi che hanno reso le batterie agli ioni di sodio un’alternativa praticabile e a basso costo alla prevalente tecnologia agli ioni di litio, l’anodo ricavato da biomassa dei ricercatori dimostra qualità che potrebbero consentire la prossima generazione di stoccaggio energetico a livello di rete, conveniente e sostenibile. I precedenti tentativi di realizzare batterie agli ioni di sodio hanno raggiunto un basso costo, ma hanno sofferto troppo in termini di prestazioni come la capacità di carica, la longevità e la velocità di ricarica per soppiantare il predominio degli ioni di litio. Gran parte di ciò deriva da sfide chimiche fondamentali, poiché le dimensioni maggiori degli ioni di sodio limitano il rapido movimento all’interno dei componenti della batteria. Il vantaggio principale dell'anodo di foglie di tè del Dr. Zhang risiede nel modo in cui bilancia queste limitazioni intrinseche. Attraverso un semplice processo di pirolisi in una sola fase, i ricercatori convertono i gambi delle foglie di tè crude in un materiale di “carbonio duro” ottimizzato per lo stoccaggio di ioni sodio. Rispetto agli anodi esistenti a base di carbonio, il carbonio duro derivato dal tè prodotto dal team, denominato TS-1400-HCl, offre parametri sostanzialmente migliorati su tutta la linea. Fornisce una capacità iniziale superiore del 70%, un'efficienza superiore del 91% nel primissimo ciclo di carica/scarica e una longevità 7-9 volte maggiore su 500 cicli. Fondamentalmente, TS-1400-HCl raggiunge queste prestazioni rivoluzionarie utilizzando solo componenti di base economici attraverso un processo industriale scalabile.
Immagine HRTEM di TS-1400-HCl. (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) I ricercatori attribuiscono le capacità del TS-1400-HCl ai miglioramenti strutturali consentiti dai gambi delle foglie di tè precursori e al trattamento acido strategico. La sua struttura a biomassa naturalmente porosa facilita la penetrazione degli elettroliti pur mantenendo ampi difetti e vuoti per l'adsorbimento degli ioni sodio. Il lavaggio acido rimuove le impurità che hanno portato alla perdita di capacità nella forma grezza. Questo duplice approccio si traduce in un anodo di carbonio ottimizzato che conferisce una spaziatura estesa tra strati simili a grafite, abbondanti siti di adsorbimento attraverso micro e mesopori ed eccellente robustezza strutturale dopo cariche ripetute. Attraverso l'analisi spettroscopica, il gruppo del dottor Zhang ha confermato che l'accumulo di ioni sodio nel TS-1400-HCl avviene tramite un processo di adsorbimento superficiale che riempie pori e difetti, seguito dall'intercalazione tra fogli di grafite più in profondità nell'elettrodo di massa. Questo doppio meccanismo, sfruttando i punti di forza della struttura di carbonio duro della biomassa su misura, sfrutta appieno il materiale per garantire elevata capacità ed efficienza elettrica. I test di fattibilità nel mondo reale di una cella a bottone interamente agli ioni di sodio hanno ulteriormente consolidato la candidatura di TS-1400-HCl come elettrodo per la produzione di massa. Senza nemmeno presidiare l'anodo per innescarlo per la stabilità, la cellula piena di foglie di tè del Dr. Zhang con un Na3V2(PO4)3 il catodo ha comunque raggiunto una longevità eccezionale oltre 1000 cicli e una densità di energia competitiva con le batterie commerciali agli ioni di litio. Tali dimostrazioni di preparazione senza preelaborazione specializzata sottolineano la fattibilità e il rapporto costo-efficacia del TS-1400-HCl. I ricercatori stimano che il trattamento acido e la ricottura poco costosi utilizzati per produrre i loro anodi di carbonio duro consentirebbero prezzi competitivi intorno ai 5-7 dollari al kg su larga scala. In combinazione con l’abbondanza di risorse di foglie di tè grezze – la sola produzione annua della Cina supera 1 miliardo di kg – il gruppo del dottor Zhang ritiene che il loro approccio alla biomassa abbia un forte potenziale per una reale sostenibilità e un impatto ambientale positivo come materiale per batterie mainstream ed economico. Con la continua ricerca sui materiali catodici complementari focalizzata sulla massimizzazione delle prestazioni invece che sulla riduzione dei costi, le batterie agli ioni di sodio che integrano elettrodi come TS-1400-HCl potrebbero presto sbloccare l’adozione di massa di sistemi di stoccaggio e distribuzione di energia pulita su larga scala. Trasformando i rifiuti in watt, l’avvento di batterie a rete economiche, durevoli e rispettose dell’ambiente fa un passo avanti.
- Michael è autore di tre libri della Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: spingendo i confini della tecnologia,
Nanotecnologia: il futuro è minuscoloe
Nanoingegneria: abilità e strumenti che rendono invisibile la tecnologia
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