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Il nuovo materiale spinge le batterie agli ioni di sodio a eliminare gradualmente il costoso litio

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+ percorsi di migrazione per NaOPV4F. a Grafici sperimentali, calcolati, differenze e Δ/σ per il raffinamento Rietveld del NaVPO4Struttura F dai dati SXRD (λ = 1,03257 Å). Riquadro: immagine SEM di NaVPO4F (barra della scala di 1 μm). b modelli ED di NaOPV4F. c Spettri FTIR di NH4OPV4F e NaVPO4Fine 4000–575 cm-1 ordinato. d Spettri EELS di NaVPO4F e ossidi di vanadio di riferimento al VL2.3 bordo. e Rappresentazione poliedrica sferica del NaVPO4Struttura in cristallo F. f [010] Immagine HAADF-STEM di NaVPO4F (la struttura cristallina è sovrapposta), (barra della scala di 2 nm). g L’isosuperficie costruita in Eatto di 1 eV che dimostra il carattere 3D dei percorsi migratori disponibili per Na+ ioni di BVEL. h Illustrazione dei percorsi migratori Na–Na considerati da DFT-NEB e della loro energetica nella fase di inserimento completo. Credito: Comunicazioni Natura (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31768-5″ width=”800″ height=”530″>
Struttura cristallina, composizione e Na+ percorsi di migrazione per NaOPV4F. a Grafici sperimentali, calcolati, differenze e Δ/σ per il raffinamento Rietveld del NaVPO4Struttura F dai dati SXRD (λ = 1,03257 Å). Riquadro: immagine SEM di NaVPO4F (barra della scala di 1 μm). b modelli ED di NaOPV4F. c Spettri FTIR di NH4OPV4F e NaVPO4Fine 4000–575 cm-1 ordinato. d Spettri EELS di NaVPO4F e ossidi di vanadio di riferimento al VL2.3 bordo. e Rappresentazione poliedrica sferica del NaVPO4Struttura in cristallo F. f [010] Immagine HAADF-STEM di NaVPO4F (la struttura cristallina è sovrapposta), (barra della scala di 2 nm). g L’isosuperficie costruita in Eatto di 1 eV che dimostra il carattere 3D dei percorsi migratori disponibili per Na+ ioni di BVEL. h Illustrazione dei percorsi migratori Na–Na considerati da DFT-NEB e della loro energetica nella fase di inserimento completo. Credito: Comunicazioni Natura (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31768-5

Con prezzi del litio oltre cinque volte superiori rispetto a un anno fa, i ricercatori della Skoltech e della Lomonosov Moscow State University hanno sviluppato un materiale per batterie agli ioni di sodio che offre un’alternativa alla sempre più costosa tecnologia agli ioni di litio. Il nuovo materiale è una polvere di fluoruro di fosfato di sodio-vanadio con una particolare struttura cristallina. Utilizzato nel catodo della batteria, fornisce una capacità di accumulo di energia record, eliminando uno dei colli di bottiglia della tecnologia emergente agli ioni di sodio. I risultati della ricerca sono riportati in Comunicazioni Natura.

Le batterie agli ioni di litio sono ovunque: tra le altre cose, alimentano l’elettronica portatile e i veicoli elettrici e immagazzinano l’energia prodotta dai parchi eolici per uniformare gli schemi del vento irregolari. Tuttavia, fare affidamento sul solo litio è rischioso, perché le sue sostanze chimiche stanno diventando sempre più costose, la loro produzione è piuttosto sporca e i giacimenti di minerale sono distribuiti in modo non uniforme in tutto il mondo. Un gradino più in basso nella tavola periodica, il molto più abbondante sodio metallo alcalino si presta come possibile alternativa al litio.

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Finora la tecnologia delle batterie agli ioni di sodio è relativamente nuova e, sebbene l’architettura di base della cella della batteria sia la stessa, è necessario utilizzare materiali diversi per i componenti principali. Tra questi, il catodo è fondamentale per le caratteristiche della batteria. Nel loro recente articolo, i ricercatori di Skoltech e MSU hanno escogitato un nuovo materiale catodico che garantisce una densità di energia della batteria dal 10% al 15% migliore rispetto all’attuale concorrente principale.

“Sia il nostro nuovo materiale che quello che l’industria ha recentemente implementato sono chiamati fluoruro di fosfato di sodio-vanadio: sono fatti di atomi degli stessi elementi. Ciò che li rende diversi è come sono disposti quegli atomi e in quale rapporto sono contenuti il composto”, ha detto il coautore dello studio, il professore assistente Stanislav Fedotov di Skoltech.

“Il nostro materiale si confronta bene anche con la classe dei materiali stratificati per i catodi: fornisce all’incirca la stessa capacità della batteria e una maggiore stabilità, il che si traduce in una maggiore durata e una maggiore efficienza in termini di costi della batteria”, ha proseguito Fedotov. “Sorprendentemente, anche le previsioni teoriche per i materiali concorrenti non sono all’altezza delle nostre prestazioni pratiche, e questo è tutt’altro che banale, perché il potenziale teorico non è mai pienamente realizzato”.

Secondo gli scienziati, una volta che la ricerca sui materiali efficienti per le batterie agli ioni di sodio sarà condotta, potrebbero benissimo sostituire gli accumulatori agli ioni di litio nei veicoli elettrici pesanti, come autobus e camion, così come negli accumulatori di energia stazionari nei parchi eolici e solari e altrove.

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“Una maggiore capacità di accumulo di energia è solo uno dei vantaggi di questo materiale. Consente inoltre al catodo di funzionare a temperature ambiente inferiori, il che è particolarmente rilevante per la Russia”, ha affermato Fedotov.

Semyon Shraer, uno stagista di ricerca presso Skoltech e l’autore principale del documento, ha condiviso le origini dell’idea alla base di questo studio: “In effetti, la comunità delle batterie tende a procedere con la ricerca di nuovi materiali sia empiricamente, per tentativi ed errori. o con studi ad alto rendimento che testano una vasta gamma di materiali. Ci avviciniamo in modo diverso e preferiamo la progettazione chimica razionale dello stato solido. Ciò significa che ci affidiamo alla scienza dura, utilizzando le leggi e i principi fondamentali della chimica dello stato solido per arrivare al materiale con le proprietà desiderate.”

“Considerazioni teoriche ci hanno portato alla formula di base per un materiale che potrebbe fornire un’elevata capacità di accumulo di energia”, ha proseguito. “Abbiamo quindi dovuto determinare quale struttura cristallina avrebbe sbloccato quel potenziale. Quello che abbiamo scelto è noto come framework di tipo KTP e deriva dall’ottica non lineare: non è molto comune per l’ingegneria delle batterie. Dopo un’attenta riflessione e teorizzazione, ci siamo resi conto che questo particolare composto con quella particolare struttura cristallina dovrebbe funzionare. Quindi siamo riusciti a sintetizzarlo tramite scambio ionico a bassa temperatura. Ed eccolo lì, con le sue caratteristiche superiori ora confermate da un esperimento”.


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