RICHLAND, Washington / LONDRA– I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato una nuova chimica dell'elettrolita che consente alle batterie agli ioni di sodio ad alta tensione di funzionare con una stabilità senza precedenti, affrontando una barriera di vecchia data alla competitività commerciale della tecnologia.
Pubblicato sulla rivista Nano Energy, il lavoro introduce un "elettrolita debolmente solvatante" - una filosofia di progettazione che allenta deliberatamente il legame tra gli ioni di sodio e le molecole del solvente per sopprimere le reazioni collaterali dannose sulle superfici degli elettrodi. L’approccio rappresenta un cambiamento fondamentale rispetto all’ingegneria elettrolitica convenzionale.
Un nuovo paradigma per il controllo della solvibilità
Le formulazioni di elettroliti per batterie comunemente utilizzate sono generalmente sviluppate per solvatare gli ioni metallici in modo sufficiente in modo che gli ioni metallici possano muoversi attraverso il liquido e trasportare la carica. Tuttavia, la forte associazione dello ione metallico con il solvente determina la formazione di un "guscio" ionico incredibilmente stabile che circonda gli ioni metallici, impedendo così la rottura di questo guscio sulla superficie dell'elettrodo e l'intrappolamento delle molecole dell'elettrolita in reazioni chimiche parassite una volta che questo guscio si rompe. Il risultato è che l'elettrolito si consuma nel degrado della batteria e accelera la diminuzione della capacità della batteria.
I ricercatori del PNNL hanno adottato un approccio diverso e hanno sviluppato un elettrolita meta-debolmente solvatante in cui gli ioni sodio hanno una forza legante molto inferiore per le molecole del solvente. L'elettrolita meta-solvatante debolmente ha una struttura di solvatazione intermedia che consente agli ioni sodio di occupare questa struttura e di avere caratteristiche ioniche diverse all'interfaccia dell'elettrodo. Di conseguenza, le forti interazioni solvente-ione non creano gusci ionici eccessivamente stabili sull'interfaccia dell'elettrodo che portano al degrado della batteria.
"La natura meta-debolmente solvatante, definita come solvatazione di Na⁺ significativamente più debole di quella del singolo-elettrolita solvente con il componente solvente più debole, è confermata da ²³Na NMR," hanno scritto i ricercatori. Attraverso analisi spettroscopiche complementari - tra cui Raman e FT-IR - il team ha dimostrato che una solvatazione indebolita deriva da una maggiore dinamica di solvatazione e influenza prevalentemente la coordinazione del solvente.
Prestazioni-rilevanti per il settore
I risultati hanno dimostrato chiari vantaggi. Il design della cella della batteria proposto ha ottenuto una migliore mobilità del sodio mentre le controparti convenzionali hanno mostrato un precedente degrado e instabilità. I test sulla corrente di dispersione hanno confermato che la cella che utilizza l'elettrolita meta-debolmente solvatante offre la migliore stabilità interfacciale ad alta-tensione, coerente con una ridotta reattività del-solvente libero e una migliore formazione dell'interfase catodo-elettrolita (CEI).
Fondamentalmente, le celle complete hanno mantenuto l'80% della loro capacità dopo 500 cicli, superando sostanzialmente sia gli elettroliti convenzionali a base di carbonato-che gli elettroliti localizzati ad alta-concentrazione (LHCE). L'autore principale An L. Phan ha osservato che "il nuovo elettrolita rappresenta una nuova strategia per regolare la struttura di solvatazione del Na che può facilitare reazioni favorevoli e sopprimere quelle indesiderate", con conseguente riduzione della perdita irreversibile e del degrado dei materiali cellulari in condizioni pratiche.
Perché gli ioni di sodio-sono importanti
Le batterie agli ioni di sodio- sono state considerate un'opzione poiché hanno caratteristiche chimiche simili, ma differiscono anche in termini di abbondanza, accessibilità, prezzo e stabilità rispetto alle batterie agli ioni di litio-. Tuttavia, le batterie agli ioni di litio- impiegano ancora più tempo per essere sviluppate commercialmente rispetto a quelle al litio, con centinaia di migliaia di berline commerciali realizzate con batterie agli ioni di litio- vendute a partire dagli anni '90, e un veicolo elettrico che utilizza la chimica degli ioni di sodio- è stato lanciato alla fine del 2023, rappresentando meno dell'1% della produzione mondiale totale di batterie agli ioni di litio- nel 2025.
Questa dinamica sta cambiando rapidamente. CATL, il più grande produttore di batterie al mondo, ha confermato i piani per l'implementazione su larga-scala degli ioni di sodio-in più settori a partire dal 2026, compreso un ordine per un sistema di stoccaggio dell'energia da 60 GWh. BYD ha iniziato la costruzione del suo primo impianto di batterie agli ioni di sodio-. Il mercato delle batterie agli ioni di sodio- è attualmente valutato a 2,9 miliardi e si prevede che diventi più del doppio, fino a 2,9 miliardi, e si prevede che diventi più che raddoppiato, fino a 6,2 miliardi entro il 2031. Secondo l'IEA, si realizza un'efficace struttura di solvatazione ricca di anioni mentre vengono mantenute la mobilità locale e la desolvatazione favorevoli al Na⁺.
Veduta
La svolta del PNNL arriva in un momento cruciale per la tecnologia agli ioni di sodio-. Risolvendo l'instabilità interfacciale che storicamente ha limitato il funzionamento ad alta-tensione, il meta-elettrolita debolmente solvatante rimuove un ostacolo chiave al raggiungimento delle densità di energia richieste per una più ampia adozione dei veicoli elettrici. La ricerca è disponibile integralmente in Nano Energy, volume 154, luglio 2026.
Con il 2026 ampiamente considerato come il "primo anno" di commercializzazione delle batterie agli ioni di sodio- e con i principali produttori di batterie che firmano accordi di fornitura multi-gigawatt-ora, la finestra per le tecnologie di stoccaggio dell'energia a base di sodio-per rivendicare una quota significativa del mercato globale delle batterie non è mai stata così ampia.
