Batterie al sodio, la svolta passa dal carbonio duro a 900 °C

Ricercatori cinesi hanno trovato un modo per controllare la struttura dell'anodo e renderne più uniforme la produzione industriale

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Eleonora Lilli

Di: Eleonora Lilli

9 set alle 16:00

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Un gruppo di ricercatori cinesi ha trovato un modo per controllare meglio la struttura del carbonio duro, il materiale oggi più utilizzato come anodo nelle batterie al sodio. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, è stato realizzato da Zongfu Sun e dai colleghi dell'Università di Tianjin.

Il principio è abbastanza semplice: attraverso un particolare trattamento termico a 900 °C, i ricercatori riescono a influenzare il modo in cui si formano i piccoli pori e le zone più disordinate all'interno del carbonio duro. Può sembrare un dettaglio molto tecnico, ma in realtà riguarda uno dei problemi più importanti per le batterie sodio-ione: produrre un materiale sempre uguale, con le stesse caratteristiche, anche quando viene realizzato in grandi quantità.

Il carbonio duro è infatti già considerato uno dei materiali di riferimento per gli anodi delle batterie sodio-ione, tecnologia che sta passando dalla fase sperimentale alle prime applicazioni commerciali. Riuscire a controllarne meglio la struttura potrebbe quindi aiutare l'industria a rendere la produzione più uniforme e prevedibile, un passaggio fondamentale per portare queste batterie su scala più ampia.

Perché il carbonio duro conta per le batterie sodio-ione

Il sodio ha un raggio ionico più grande del litio e con gli elettroliti carbonati convenzionali la grafite diventa poco pratica come anodo, perché non riesce a ospitare in modo stabile ioni così voluminosi. Il carbonio duro risolve il problema perché ha una struttura porosa e disordinata, con più domini che permettono al sodio di muoversi senza rompere l'architettura del materiale.

Confronto tra grafite e carbonio duro negli anodi per batterie al sodio: la struttura disordinata e porosa del carbonio duro permette agli ioni $Na^+$ (più grandi del $Li^+$) di muoversi liberamente tramite intercalazione tra i piani e adsorbimento nei pori, garantendo capacità superiori a 300 mAh/g e un'elevata stabilità ciclica.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Questa struttura consente due meccanismi complementari, l'intercalazione tra i piani di carbonio e l'adsorbimento nei pori. Insieme spiegano perché il carbonio duro raggiunge capacità reversibili che possono superare i 300 mAh/g, con una stabilità che si mantiene per centinaia o migliaia di cicli di carica e scarica anche in condizioni vicine a quelle industriali.

Il vantaggio economico è altrettanto concreto: i precursori più usati sono materiali a basso costo come gusci di cocco, carbone o scarti agricoli, molto più economici delle materie prime richieste dagli anodi al litio. È la leva principale con cui il sodio-ione punta ad abbattere il costo per kWh, terreno su cui si decide la sua diffusione nella mobilità elettrica.

Come cambia la microstruttura a 900 gradi

Lo studio pubblicato su Nature Communications lavora su un accoppiamento termico-meccanico durante la carbonizzazione a 900°C, una fase in cui il precursore organico si trasforma progressivamente in carbonio. Regolare temperatura e forze applicate in questa fase permette di orientare la distanza fra i piani turbostratici, cioè gli strati di carbonio disallineati che caratterizzano il materiale.

Accoppiamento termico-meccanico a 900°C per ottimizzare il carbonio nelle batterie a sodio-ione.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Il punto chiave è il bilanciamento tra capacità sloping e capacità plateau: la prima arriva dall'adsorbimento superficiale, la seconda dal riempimento dei micropori interni. Una review recente su Advanced Materials conferma che parametri come temperatura di carbonizzazione, tempo di permanenza e velocità di riscaldamento modulano proprio questo equilibrio, con effetti diretti sulle prestazioni della cella finita, come già raccontato a proposito dei progressi delle batterie sodio-ione verso il 2030.

Alcuni produttori hanno già dichiarato di aver affrontato criticità di scala analoghe, come il rigonfiamento del materiale durante la produzione, tramite tecniche di controllo dei pori a livello dell'angstrom e trattamenti superficiali che limitano l'assorbimento di umidità. Il lavoro dell'Università di Tianjin si inserisce in questo filone, applicato a batterie pouch, cioè celle a involucro flessibile.

Che cosa significa per le batterie di fascia auto

Le celle sodio-ione con anodo in carbonio duro oggi mostrano in letteratura e nelle prime applicazioni migliaia di cicli con capacità residua intorno all'80% e intervalli operativi che possono estendersi in larga parte tra temperature sottozero e condizioni calde. Il collo di bottiglia resta la capacità produttiva, non la chimica.

Un caso citato spesso come esempio industriale è quello di aziende che ricavano il carbonio duro da scarti agricoli, riducendo costi e impatto ambientale a fronte di un controllo più stretto del trattamento termico. È lo stesso filo che collega il lavoro su Nature Communications al tema più ampio della produzione cinese di carbonio per le batterie sodio, dove la variabile critica è sempre la coerenza tra lotti.

Resta da vedere se il metodo a 900°C descritto dai ricercatori di Tianjin superi la fase di laboratorio e arrivi alle linee di produzione su scala industriale, un passaggio che finora ha rappresentato il vero limite per portare il sodio-ione oltre i segmenti entry-level, accanto alle alternative già esplorate nel confronto tra batterie sodio-ione e litio per le auto elettriche.