Case study of an exploratory high voltage NASICON-based NaNiCr(PO) cathode material for sodium-ion batteries
Questo studio caratterizza il catodo NASICON ad alta tensione NaNiCr(PO), il quale, nonostante mantenga la propria integrità strutturale ed esibisca barriere di migrazione ionica fattibili, non riesce a fornire una capacità reversibile a causa della sua conduttività elettronica intrinsecamente scarsa.
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Il mondo ha fame di modi migliori per immagazzinare l'energia. Sebbene le batterie agli ioni di litio alimentino oggi i nostri telefoni e le nostre auto, le materie prime di cui hanno bisogno stanno diventando scarse e costose. Gli scienziati stanno guardando al sodio, un elemento comune come il sale da tavola, come un'alternativa più abbondante ed economica. La sfida, tuttavia, è che gli atomi di sodio sono più grandi e pesanti del litio, il che li rende più difficili da far entrare e uscire dai materiali della batteria senza danneggiare la struttura. Per costruire una potente batteria al sodio, i ricercatori hanno bisogno di un "catodo" — il polo positivo della batteria — che possa sostenere un alto voltaggio e resistere allo stress dei ripetuti cicli di carica e scarica. Una famiglia promettente di materiali per questo compito è chiamata NASICON, dal suo nome dovuto alla capacità di condurre rapidamente gli ioni di sodio attraverso una struttura rigida tridimensionale. Questi materiali sono come un robusto scaffold che mantiene la batteria sicura pur permettendo agli ioni di fluire, ma trovare la giusta miscela di elementi per farli funzionare ad alti voltaggi si è rivelato difficile.
In uno studio recente, i ricercatori dell'Indian Institute of Technology Delhi si sono posti l'obiettivo di testare un materiale specifico all'interno di questa famiglia: un composto fatto di sodio, nichel, cromo e fosfato. Hanno scelto questa miscela perché il nichel e il cromo sono elementi noti per essere attivi ad alti voltaggi, il che potrebbe teoricamente permettere alla batteria di immagazzinare una quantità massiccia di energia. Il team ha sintetizzato il materiale utilizzando una precisa ricetta chimica, creando una polvere che hanno poi analizzato in grande dettaglio. Hanno utilizzato la diffrazione a raggi X per mappare la disposizione degli atomi, confermando che il materiale formava la struttura cristallina desiderata. Hanno anche utilizzato tecniche basate sulla luce per esaminare come gli atomi vibrano e si tengono insieme, e hanno misurato le proprietà elettriche per vedere quanto facilmente gli elettroni potessero muoversi attraverso il materiale. Il loro obiettivo era vedere se questa nuova combinazione potesse riuscire a immagazzinare e rilasciare ripetutamente gli ioni di sodio, che è la chiave per una batteria funzionante.
I risultati sono stati un misto di promessa e frustrazione. Quando i ricercatori hanno caricato la batteria, questa ha funzionato bene, assorbendo ioni di sodio e fornendo una buona quantità di energia a un alto voltaggio di circa 4,5 volt. Ciò ha confermato che il materiale poteva effettivamente essere caricato. Tuttavia, quando hanno provato a scaricare la batteria — rilasciando l'energia immagazzinata — il processo è fallito. La batteria ha fornito quasi zero potenza durante la scarica, rendendola di fatto inutile per l'uso pratico. La struttura del materiale è rimasta intatta anche dopo questo ciclo fallito, il che significa che lo scaffold cristallino non è crollato. Questo ha escluso l'idea che il materiale si fosse semplicemente frammentato sotto pressione. Invece, il problema sembrava essere che, una volta caricata la batteria, gli ioni di sodio non riuscivano a trovare la via per uscire.
Per capire perché ciò fosse accaduto, il team ha esaminato da vicino l'energia necessaria affinché gli ioni di sodio si muovessero attraverso il materiale. I loro calcoli hanno mostrato che il percorso per gli ioni era libero e ben connesso, con una barriera energetica relativamente bassa che avrebbe dovuto permettere un movimento facile. Questa scoperta è stata cruciale perché ha eliminato la possibilità che gli ioni fossero fisicamente bloccati o ostruiti. Se il percorso era aperto, l'ostruzione doveva essere un'altra cosa. I ricercatori hanno scoperto che il materiale aveva una conducibilità elettronica estremamente scarsa, il che significa che era molto difficile per l'elettricità fluire attraverso di esso. In una batteria, sia gli ioni che gli elettroni devono muoversi in sincronia; se gli elettroni non possono fluire per bilanciare la carica, nemmeno gli ioni possono muoversi. Lo studio suggerisce che la specifica combinazione di nichel e cromo in questa struttura rigida impedisce la formazione degli stati elettronici necessari per trasportare una corrente, essenzialmente soffocando la capacità della batteria di lavorare in senso inverso.
Il team ha cercato di risolvere il problema rivestendo il materiale con un sottile strato di carbonio, un trucco comune per migliorare il flusso elettrico. Sebbene questo rivestimento abbia ridotto la resistenza e permesso il rilascio di una piccola quantità di potenza, non ha risolto il problema fondamentale. La batteria non riusciva comunque a scaricarsi efficacemente. I ricercatori hanno anche testato il materiale in diverse condizioni, come il riscaldamento in un'atmosfera di gas protettivo, ma il risultato è rimasto lo stesso: alta capacità di carica ma scarica trascurabile. Lo studio conclude che, sebbene il materiale sia strutturalmente solido e capace di sostenere un alto voltaggio, le sue proprietà elettroniche interne impediscono che sia una batteria reversibile. Le scoperte evidenziano che trovare semplicemente un materiale con gli atomi e la struttura giusti non è sufficiente; il comportamento elettronico deve anche essere compatibile con il flusso di energia. Per far funzionare questa specifica batteria ad alto voltaggio, gli sforzi futuri dovranno probabilmente cambiare la composizione del materiale o trovare nuovi modi per aiutare gli elettroni a muoversi attraverso di esso.
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