La ricerca scientifica cinese ha compiuto un passo avanti significativo nel campo delle batterie al sodio-ionico, rendendole più efficienti e stabili grazie alla metilazione degli elettroliti idrogel. Questo progresso non solo migliora le prestazioni di queste batterie ecologiche, ma apre anche nuove prospettive per l’applicazione degli idrogel in diverse tecnologie.
Le batterie al sodio-ionico: un’alternativa sostenibile
Una promettente sostituzione alle batterie al litio-ionico
Le batterie al sodio-ionico rappresentano una valida alternativa alle più comuni batterie al litio-ionico, in quanto utilizzano materiali più economici e rispettosi dell’ambiente. Tuttavia, lo sviluppo di nuove batterie richiede la creazione di numerosi componenti innovativi, tutti adattati all’uso degli ioni di sodio. Uno dei componenti più importanti è l’elettrolita, che nelle batterie sottili e flessibili è spesso sotto forma di idrogel. Questi materiali flessibili e contenenti acqua assorbono i sali di sodio disciolti e conducono ioni.
Il problema della separazione di fase e del salting out
Nonostante gli idrogel siano materiali adatti, un problema ancora irrisolto è rappresentato dalla separazione di fase e dal salting out, che si verifica ad alte concentrazioni di sale necessarie per una vasta finestra di stabilità elettrochimica. Un gruppo di ricercatori dell’Accademia Cinese delle Scienze a Qingdao, in Cina, è riuscito a modificare un idrogel per una batteria al sodio-ionico, permettendogli di assorbire una quantità di sale considerevolmente maggiore in modo stabile e sicuro.
L’impatto della metilazione sulle prestazioni dell’idrogel
La tecnica della metilazione
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica impiegata anche in natura per la regolazione del legame tra acqua e sale in grandi biomolecole: la metilazione. Nelle proteine, la metilazione porta alla “chiusura” dei gruppi amminici e ammidici, rendendoli meno accessibili per le molecole d’acqua che giocano un ruolo nella formazione di legami incrociati all’interno della struttura proteica e nella dissoluzione degli ioni di sale.
Il confronto tra idrogel comuni e idrogel metilati
Considerando che i polimeri di poliammide utilizzati per gli idrogel contengono anch’essi gruppi ammidici, il loro esteso legame incrociato attraverso le molecole d’acqua può causare il salting out, portando al collasso dell’elettrolita. Con questo in mente, il team ha confrontato un idrogel realizzato con una poliammide comune con un idrogel realizzato con una poliammide con gruppi ammidici metilati. Quest’ultimo è stato in grado di assorbire significativamente più sale rispetto alla variante originale. Anche a concentrazioni di sale estremamente elevate, l’elettrolita idrogel è rimasto trasparente e stabile.
Benefici delle batterie con idrogel metilati
Un maggiore contenuto di sale significa che la gamma di tensione utilizzabile elettrochimicamente della cella può essere ampliata. Inoltre, il team non ha osservato segni di disintegrazione agli elettrodi, una migliore stabilità ciclica e la cella di batteria assemblata ha raggiunto una capacità maggiore rispetto alla variante non metilata. È stato persino possibile utilizzare una semplice lamina di alluminio come collettore di corrente in questo sistema.
Gli autori suggeriscono che la semplice metilazione della poliammide potrebbe essere adatta anche per altre tecnologie, ad esempio nello sviluppo di farmaci, per rendere gli idrogel più resistenti ai sali e quindi più stabili.
Lo studio è stato finanziato dal Programma Nazionale di Ricerca e Sviluppo Chiave della Cina, dalla Fondazione Nazionale delle Scienze Naturali della Cina, dalla Fondazione delle Scienze Naturali della Provincia di Shandong, dalla Fondazione degli Studiosi di Taishan della Provincia di Shandong, dall’Istituto di Energia di Shandong e dall’Accademia Cinese delle Scienze.
