Design asimmetrico di sulfonamidi che permette celle pouch agli ioni di sodio ad alto voltaggio e ampio intervallo termico

Perché batterie più fredde e più sicure sono importanti

Dalle auto elettriche in inverno alle batterie di rete che supportano impianti eolici e solari, facciamo sempre più affidamento su accumulatori ricaricabili che funzionino in sicurezza in tutte le stagioni. La tecnologia dominante oggi, la batteria agli ioni di litio, incontra limiti di costo e risorse, quindi gli scienziati stanno esplorando le batterie agli ioni di sodio come alternativa più economica. Tuttavia le celle al sodio faticano a temperature molto basse e ad alti voltaggi di carica, specialmente nelle celle pratiche di grande formato tipo pouch. Questo studio presenta un nuovo liquido all’interno della batteria, chiamato elettrolita, che mantiene le batterie agli ioni di sodio operative su un ampio intervallo di temperature rendendole al contempo più stabili e sicure.

Riprogettare il liquido dentro la batteria

Gli autori si concentrano sulle molecole solventi che dissolvono il sale di sodio e trasportano gli ioni tra gli elettrodi. I solventi convenzionali possono congelare o diventare viscosi col freddo, e possono anche degradarsi quando la batteria viene caricata a voltaggi elevati. Il team ha progettato un nuovo solvente sulfonamide, N-etil-N-metil-trifluorometansulfonamide (EMTMSA), con una asimmetria voluta: un gruppo laterale corto e uno leggermente più lungo creano una piccola “gobba” nella molecola. Questa deformazione geometrica impedisce alle molecole di disporsi ordinatamente in un cristallo quando si raffreddano, conferendo all’EMTMSA un punto di fusione molto basso, intorno a −86 gradi Celsius. Allo stesso tempo, rimane stabile ai voltaggi elevati necessari per aumentare l’energia della batteria.

Mantenere gli ioni mobili nel freddo estremo

Combinando l’EMTMSA con due comuni solventi carbonatici e un sale di sodio, i ricercatori hanno creato un elettrolita che resta liquido e conduttivo fino a temperature estremamente basse. Esperimenti di risonanza magnetica nucleare hanno mostrato che il moto e la rotazione molecolare in questa miscela restano attivi anche a basse temperature, a differenza di una miscela carbonatica standard che diventa densa e lenta. L’elettrolita a base di EMTMSA favorisce la formazione di coppie strette di ioni sodio e piccoli cluster con gli anioni del sale. Queste strutture indeboliscono l’attrazione tra ioni e solvente, facilitando la perdita dello strato di solvatizzazione e l’ingresso degli ioni negli elettrodi, fondamentale quando la batteria è fredda.

Superfici stabili su entrambi i lati della batteria

La prestazione della batteria nel corso di molti cicli di carica e scarica dipende da sottili strati che si formano naturalmente dove il liquido incontra gli elettrodi solidi. Con l’elettrolita EMTMSA, questi strati diventano sottili, uniformi e ricchi di composti inorganici come il fluoruro di sodio. Sull’elettrodo negativo in hard-carbon, questo film stabile impedisce la deposizione indesiderata di sodio metallico sotto forma di strutture filamentose, che altrimenti consumerebbero materiale attivo e aumenterebbero la resistenza. Sull’elettrodo positivo NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2, il liquido a base di EMTMSA forma uno strato protettivo compatto che limita la perdita di ossigeno e la dissoluzione dei metalli, evitando la crescita di una spessa regione superficiale a “rock-salt” poco conduttiva che può ostacolare il trasporto ionico.

Prestazioni in celle di dimensioni reali

È cruciale che il team abbia testato il loro elettrolita non solo in piccole celle di laboratorio, ma in celle pouch da ampere-ora con elettrodi spessi e ad alto carico, simili a quelli necessari per dispositivi pratici. Con l’elettrolita a base di EMTMSA, queste celle pouch agli ioni di sodio hanno mantenuto circa il 70 percento della capacità a temperatura ambiente anche a −60 °C e oltre il 40 percento a −70 °C, mentre le celle con liquidi carbonatici standard fallivano quasi completamente a tali basse temperature. A temperatura ambiente e con tensioni di taglio elevate di 4,15 e 4,2 volt rispetto al sodio, le celle EMTMSA hanno conservato il 90,0 e l’81,6 percento della capacità iniziale dopo rispettivamente 1500 e 1000 cicli, sovraperformando le formulazioni convenzionali. Il nuovo liquido ha inoltre resistito all’innesco e ha ritardato l’insorgenza della runaway termica nei test di sicurezza.

Cosa significa per le future batterie al sodio

Per un pubblico non specialistico, il punto chiave è che modificare la forma delle molecole solventi all’interno della batteria può avere un grande impatto sulla sua funzionalità in condizioni estreme. Introducendo una semplice gobba in una molecola sulfonamide, i ricercatori hanno creato un elettrolita che resta fluido nel freddo estremo, tollera alti voltaggi di carica e forma strati protettivi che mantengono entrambi gli elettrodi in buona salute per molti cicli. Questo approccio rende le celle pouch agli ioni di sodio più efficienti, durature e sicure su un ampio intervallo di temperature, avvicinandole all’uso pratico nello stoccaggio energetico su larga scala e in altre applicazioni dove costo e robustezza sono fondamentali.

Citazione: Cui, X., Li, Q., Chang, G. et al. Asymmetric sulfonamide design enabling high-voltage sodium-ion pouch cells in wide temperature. Nat Commun 17, 4378 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70592-z

Parole chiave: batterie agli ioni di sodio, progettazione dell'elettrolita, batterie per basse temperature, sicurezza delle batterie