Atmosphere-Controlled Aqueous Sodium-Ion Storage Kinetics in Na 3.64 Ni 2.18 (P 2 O 7 ) 2 Cathode for Hybrid Capacitor

La fame di energia del mondo cresce più velocemente della nostra capacità di immagazzinarla. Abbiamo bisogno di dispositivi che possano contenere molta potenza per un lungo periodo, come una batteria, ma che possano anche rilasciare tale potenza istantaneamente, come un condensatore. Per decenni, le batterie agli ioni di litio sono state il punto di riferimento, ma il litio su cui si basano sta diventando scarso e costoso. Questo ha spinto gli scienziati a guardare verso il sodio, un elemento abbondante nella crosta terrestre ed economico da trovare. I dispositivi agli ioni di sodio offrono un'alternativa promettente, ma affrontano una sfida: gli ioni di sodio sono più grandi degli ioni di litio, il che rende più difficile il loro movimento rapido attraverso i materiali all'interno di una batteria. Per risolvere questo problema, i ricercatori stanno cercando di costruire dispositivi ibridi che combinino i migliori tratti sia delle batterie che dei supercondensatori, utilizzando il sodio per immagazzinare l'energia in modo efficiente e rilasciarla rapidamente.

In uno studio recente, un team di ricercatori in India si è concentrato sulla creazione di un materiale specifico che fungesse da lato positivo, o catodo, di un tale dispositivo ibrido. Hanno scelto un composto composto da sodio, nichel e un tipo specifico di struttura fosfatica. La chiave del loro lavoro non è stata solo la creazione del materiale, ma il controllo dell'ambiente in cui veniva cotto. Hanno sintetizzato il materiale utilizzando un metodo di combustione, essenzialmente mescolando sostanze chimiche in acqua e riscaldandole finché non reagivano violentemente per formare una polvere solida. Per vedere come l'ambiente influenzasse il prodotto finale, hanno diviso il processo in due percorsi. Un lotto è stato riscaldato in aria normale, mentre l'altro è stato riscaldato in una camera sigillata riempita di argon, un gas inerte che impedisce all'ossigeno di interagire con il materiale.

I ricercatori hanno scoperto che l'atmosfera utilizzata durante questo processo di riscaldamento ha fatto una differenza drammatica nella struttura interna e nelle prestazioni del materiale. Quando hanno esaminato il materiale cotto in argon, hanno scoperto che conteneva una miscela di atomi di nichel in due stati diversi, il che ha aiutato gli elettroni a muoversi più liberamente. Il campione trattato con argon mostrava segni di distorsioni reticolari locali e l'introduzione di siti di difetto, creando un ambiente carente di ossigeno che facilitava il salto elettronico. Al contrario, il materiale cotto in aria mancava di queste specifiche modifiche strutturali. Il team ha utilizzato potenti microscopi e strumenti di spettroscopia per confermare che la versione cotta in argon possedesse questi siti di difetto e stati di valenza ottimizzati, che sono cruciali per consentire agli ioni di sodio di entrare ed uscire rapidamente dal materiale durante la carica e la scarica.

Per testare se questo materiale potesse effettivamente funzionare in un dispositivo reale, gli scienziati hanno costruito un condensatore ibrido. Hanno accoppiato il loro nuovo catodo al sodio-nichel con un anodo standard a base di carbonio e hanno immerso l'intero assemblaggio in un elettrolita liquido. Quando hanno testato il dispositivo, la versione realizzata con il materiale cotto in argon ha superato quella realizzata in aria con un margine significativo. Il dispositivo cotto in argon poteva immagazzinare più energia e consegnarla a un ritmo più elevato. Nello specifico, ha raggiunto una densità energetica di 38 watt-ora per chilogrammo e una densità di potenza di 489 watt per chilogrammo. Questi numeri sono importanti perché dimostrano che il dispositivo può contenere una quantità sostanziale di energia pur essendo ancora in grado di rilasciarla rapidamente, un equilibrio che è difficile da raggiungere.

Anche la durabilità del dispositivo è stata un punto focale importante. I ricercatori hanno sottoposto il condensatore a duemila cicli di carica e scarica per vedere quanto resistesse nel tempo. Il dispositivo che utilizza il materiale cotto in argon ha mantenuto l'86 percento della sua capacità originale dopo tutti quei cicli, dimostrando che il materiale è abbastanza robusto per un uso a lungo termine. Il team ha anche utilizzato simulazioni informatiche per modellare il movimento degli ioni all'interno del dispositivo, e i risultati corrispondevano ai loro esperimenti fisici, confermando che il miglioramento delle prestazioni era dovuto a un trasporto ionico più veloce e a una migliore conducibilità elettrica. Questo studio suggerisce che, semplicemente cambiando l'atmosfera durante il processo di produzione, gli scienziati possono migliorare significativamente l'efficienza e la durata dei sistemi di accumulo di energia a base di sodio, offrendo una via percorribile verso sistemi di energia più sostenibili e potenti.