Maggiore immagazzinamento di sodio in hard carbon tramite elettrolita con co-intercalazione del solvente che abilita celle pouch a livello Ah a basse temperature

Perché le batterie resistenti al freddo sono importanti

Dalle auto elettriche in climi nevosi ai sensori nell’Artico profondo, molti dispositivi moderni richiedono batterie che continuino a funzionare al freddo. Le batterie al litio e al sodio attuali spesso perdono potenza o guastano completamente a temperature molto basse perché la chimica interna rallenta. Questo studio esplora un nuovo modo di realizzare batterie agli ioni di sodio — usando un liquido appositamente progettato all’interno della batteria — in modo che possano immagazzinare e fornire energia in modo affidabile anche a temperature fino a −50 °C.

La sfida delle batterie che gelano

Le batterie immagazzinano energia facendo muovere atomi carichi, chiamati ioni, tra due elettrodi solidi attraverso un elettrolita liquido. Nelle batterie agli ioni di sodio, gli ioni sodio devono attraversare un sottile film superficiale e penetrare in un elettrodo negativo a base di carbonio noto come hard carbon. A basse temperature, si verificano due problemi: gli ioni si muovono più lentamente nel liquido e fanno fatica a perdere le molecole di solvente che li circondano prima di entrare nell’hard carbon. Allo stesso tempo, il film protettivo superficiale — chiamato interfase elettrolitica solida — tende a ispessirsi e diventare più resistivo col freddo. Tutto ciò rende più difficile il movimento degli ioni sodio, quindi la batteria può fornire molto meno energia quando è più necessaria.

Una nuova miscela liquida per facilitare il viaggio degli ioni

I ricercatori hanno affrontato questo problema riprogettando l’elettrolita in modo che gli ioni sodio non debbano più spogliarsi completamente del loro involucro di solvente prima di entrare nell’hard carbon. Hanno miscelato due solventi a base etere: dietilenglicole dimetiletere (G2), che si lega saldamente agli ioni sodio e favorisce un rapido movimento ionico, e 2-metilossolano (MO), un liquido meno polare che rimane fluido a temperature molto basse. Nel cosiddetto “elettrolita a co-intercalazione”, gli ioni sodio si coordinano principalmente con G2, mentre MO agisce in gran parte come solvente libero non legante che aiuta a mantenere la miscela liquida fino a −50 °C. Simulazioni al computer e misure spettroscopiche hanno mostrato che questa miscela forma una struttura stabile in cui ioni sodio e G2 viaggiano insieme come un piccolo cluster.

Lasciando che gli ioni entrino nel carbonio senza spogliarsi

Invece di costringere gli ioni sodio a perdere il loro involucro di solvente sulla superficie dell’elettrodo, il nuovo elettrolita permette ai cluster sodio–G2 di scivolare direttamente attraverso il film superficiale e negli spazi stratificati all’interno dell’hard carbon. Questo processo, chiamato co-intercalazione del solvente, aggira il lento passaggio di “spogliazione” che di solito limita le prestazioni al freddo. Test microscopici e spettroscopici hanno rivelato che il film superficiale formato con questo elettrolita è più sottile e più ricco di composti inorganici rispetto ai sistemi convenzionali. Questa combinazione protegge l’elettrodo pur consentendo agli ioni di attraversare rapidamente. Misure di diffusione ionica e resistenza elettrica hanno confermato che gli ioni si muovono più velocemente all’interno del carbonio e attraverso l’interfaccia, soprattutto a basse temperature.

Prestazioni elevate anche a −50 °C

Quando il team ha testato celle formato coin usando hard carbon e il nuovo elettrolita, ha rilevato che le batterie mantenevano elevata capacità ed efficienza dalla temperatura ambiente fino a −50 °C. A −50 °C, l’elettrodo in hard carbon ha ancora fornito circa l’80% della sua efficienza di carica iniziale e ha mantenuto oltre il 90% della capacità dopo 200 cicli di carica–scarica. Superando le piccole celle, i ricercatori hanno costruito celle pouch — batterie piatte simili a quelle dell’elettronica di consumo — con una capacità di circa 1,2 ampere-ora. Queste batterie complete agli ioni di sodio hanno raggiunto un’energia specifica di 163 watt-ora per chilogrammo a temperatura ambiente e 107 watt-ora per chilogrammo a −50 °C, continuando a alimentare luci LED per più di 10 ore in una camera a −50 °C.

Cosa significa per le batterie future in climi freddi

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che gli autori hanno trovato un modo per permettere agli ioni sodio di mantenere il loro utile involucro di solvente mentre entrano nell’elettrodo di carbonio della batteria. Progettando un elettrolita che resti liquido al freddo e formi un film superficiale sottile e favorevole agli ioni, hanno rimosso un importante collo di bottiglia nelle prestazioni a bassa temperatura. Questo approccio potrebbe contribuire a rendere le batterie agli ioni di sodio — un’alternativa più economica rispetto al litio — più pratiche per l’uso in climi invernali, regioni ad alta quota e altri ambienti difficili dove è urgente disporre di immagazzinamento di energia affidabile ed economico.

Citazione: Li, M., Liu, Z., Zhao, Y. et al. Enhanced sodium storage in hard carbon via solvent co-intercalation electrolyte enabling Ah-level pouch cells at low temperatures. Nat Commun 17, 1478 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69237-y

Parole chiave: batterie agli ioni di sodio, batterie a bassa temperatura, progettazione degli elettroliti, anodi in hard carbon, stoccaggio di energia