Nel contesto attuale, caratterizzato da una crescente necessità di soluzioni energetiche sostenibili, la ricerca sulle batterie a ioni di sodio si presenta come una frontiera promettente per ridurre la dipendenza da elementi rari e diminuire i costi, migliorando al contempo le prestazioni delle batterie per un’ampia gamma di applicazioni. Queste batterie, che funzionano su principi simili a quelli delle batterie agli ioni di litio, sono realizzate con materiali grezzi facilmente reperibili in Europa, rendendole una valida alternativa meno costosa e più accessibile.
Uno dei materiali più promettenti per il catodo di queste batterie è costituito dagli ossidi stratificati, come gli ossidi di sodio-nichel-manganese. Il Dr. Simon Daubner, leader del gruppo presso l’Istituto per i Materiali Applicati – Modellazione e Simulazione della Microstruttura (IAM-MMS) del KIT e autore corrispondente dello studio, sottolinea l’importanza di questi materiali all’interno del Cluster di Eccellenza POLiS (Post Lithium Storage), dove si indaga la tecnologia a ioni di sodio.
Tuttavia, l’impiego di questi materiali presenta delle sfide, in particolare quando si tratta di ricarica rapida. Durante processi di carica veloce, gli ossidi di sodio-nichel-manganese subiscono uno stress meccanico dovuto al cambiamento rapido della loro struttura cristallina, che può portare a danni permanenti al materiale. Se la carica avviene lentamente, il sodio viene rilasciato in modo ordinato, ma una carica rapida estrae il sodio in maniera disordinata da tutte le direzioni, causando stress meccanico che può compromettere l’integrità strutturale del materiale.
Per comprendere meglio questi fenomeni, i ricercatori dell’Istituto di Nanotecnologia (INT) e dell’IAM-MMS del KIT, in collaborazione con scienziati dell’Università di Ulm e del Centro per la Ricerca dell’Energia Solare e dell’Idrogeno del Baden-Württemberg (ZSW), hanno recentemente effettuato delle simulazioni. I risultati, pubblicati sulla rivista npj Computational Materials, mostrano come la deformazione elastica influenzi significativamente le caratteristiche di carica degli ossidi stratificati utilizzati come catodi nelle batterie a ioni di sodio.
Le simulazioni hanno rivelato che un cambiamento nella struttura cristallina del materiale porta a una deformazione elastica, che può causare la riduzione della capacità e la formazione di crepe. Questi studi sono stati confermati da esperimenti di carica e scarica lenta, che hanno evidenziato vari meccanismi di degradazione che attualmente limitano l’impiego commerciale di questi materiali.
Nonostante le sfide, i risultati dello studio offrono una comprensione fondamentale dei processi coinvolti e aprono la strada allo sviluppo di materiali per batterie che siano durevoli e possano essere ricaricati il più rapidamente possibile. Questa ricerca potrebbe, nel giro di cinque a dieci anni, portare a un impiego diffuso delle batterie a ioni di sodio, offrendo così una soluzione energetica più sostenibile e accessibile a livello globale.