Caricare lo smartphone in quattro minuti senza rovinare la batteria nel giro di pochi mesi è da sempre il sogno proibito di chiunque possieda un dispositivo elettronico. Ecco, qualcosa di molto vicino a quel sogno è appena uscito da un laboratorio in Cina, dove un gruppo di ricercatori ha messo a punto una tecnologia capace di mandare in pensione, almeno in parte, il litio. Il protagonista è il sodio, materiale economico e abbondante, che fino a poco fa veniva considerato il fratello povero di una famiglia ben più nobile.
A firmare il lavoro è un consorzio formato da scienziati dell’Università del Sud-Est, da HiNa Battery Technology e dall’Università di Yangzhou. Il cuore della scoperta è un nuovo elettrolita quasi-solido, pensato apposta per le batterie a metallo di sodio. I risultati, pubblicati sulla rivista scientifica Nano-Micro Letters, parlano chiaro: una ricarica ultrarapida, equivalente a riempire la batteria in circa quattro minuti, con il 90 per cento della capacità ancora intatta dopo 2.000 cicli di carica e scarica ad alta velocità. Numeri che, fino a ieri, sembravano roba da fantascienza.
Perché il sodio dà fastidio al litio
Per capire la portata della cosa bisogna guardare al mercato. Le batterie al sodio sono da tempo sotto i riflettori dell’industria, e il motivo è semplice: il sodio costa pochissimo ed è ovunque sulla Terra, molto più del litio. Questo permette di aggirare i colli di bottiglia della catena di approvvigionamento globale e la solita giostra dei prezzi. Il problema, però, c’era sempre stato. Il tallone d’Achille del sodio era una specie di scambio forzato: se volevi una ricarica rapida, dovevi sacrificare durata e sicurezza della cella. Colpa del trasporto lento degli ioni e dell’instabilità delle interfacce interne.
Questo nuovo passo avanti ribalta la situazione. Una cella simmetrica di sodio è riuscita a funzionare in modo stabile per 6.000 ore ininterrotte, senza guasti legati a cortocircuiti. Per chi usa lo smartphone o guida un’auto elettrica, tradotto, significa dispositivi più economici, più sicuri e con tempi di attesa alla presa che farebbero quasi sparire la famosa ansia da autonomia.
La chimica che cambia tutto
I ricercatori hanno battezzato la loro soluzione con un nome un po’ ingombrante: ingegneria di mediatori intrecciati duali. In parole povere, hanno riprogettato l’autostrada lungo la quale viaggiano gli ioni dentro la cella, eliminando gli ingorghi e rinforzando le corsie d’emergenza. Negli elettroliti tradizionali il sodio si muove in modo goffo, con un numero di trasferimento che oscilla tra 0,4 e 0,7. Il nuovo elettrolita, chiamato Sn-FB QSE, arriva a 0,94, quasi il massimo possibile. Vuol dire che il sodio viaggia da solo, dritto al traguardo, senza trascinarsi dietro elementi pesanti.
Il trucco sta in due protagonisti chimici che lavorano in coppia. Da un lato il sale DFOB, che a livello molecolare allenta la presa tra gli ioni di sodio e la rete polimerica, togliendo di mezzo quella sorta di colla che frenava tutto. Le simulazioni mostrano una diffusione degli ioni circa sei volte più veloce rispetto agli elettroliti liquidi classici. Dall’altro lato gli ioni di stagno, che durante la carica formano una pellicola protettiva ricca di lega sodio-stagno. Questo strato costringe il sodio a depositarsi in modo piatto e uniforme, mettendo la parola fine alle temute dendriti, quelle strutture a forma di ago che perforano la cella e provocano i cortocircuiti.
L’effetto doppio si completa all’altro capo della pila: mentre lo stagno protegge l’anodo, il DFOB si ossida sul catodo per creare un’altra barriera, inorganica e robustissima, spessa appena 14 nanometri. Una pellicola che blocca la degradazione anche ad alti voltaggi, garantendo lunga vita alla batteria al sodio.