Batterie al sodio: Oxford spiega come la plastica diventa carbonio duro

I ricercatori dell’Università di Oxford hanno utilizzato simulazioni al computer per analizzare come un polimero si converta in carbonio duro, un materiale impiegato nelle batterie al sodio. Le simulazioni tracciano il comportamento degli atomi durante la rottura e la ricomposizione dei legami chimici della plastica.

Lo studio, pubblicato su Chemical Science, descrive l’origine della struttura disordinata che rende questo carbonio particolarmente interessante per gli elettrodi degli accumulatori. Il materiale di partenza è il policloruro di vinilidene (PVDC), un precursore comune per la produzione di carboni non grafitizzabili.

batterie al sodio: perché è importante

Già negli anni Cinquanta, Rosalind Franklin aveva distinto questi materiali dai carboni capaci di trasformarsi in grafite. La differenza è legata anche alla sostanza iniziale: nel carbonio duro, le strutture curve e irregolari resistono alla formazione di strati ordinati anche a temperature elevate.

Il gruppo di ricerca guidato da Litong Wu, sotto la supervisione di Volker Deringer, ha impiegato un modello di machine learning per simulare le interazioni atomiche con un’accuratezza paragonabile ai calcoli quantistici, ma a un costo computazionale inferiore. Si tratta di una delle applicazioni dell’intelligenza artificiale alla ricerca scientifica.

Comprendere come la plastica forma una rete di carbonio disordinata potrebbe aiutare a progettare gli anodi delle batterie al sodio partendo dalla chimica del precursore. Secondo lo studio, la trasformazione avviene in due fasi principali: prima, la deidroclorurazione elimina idrogeno e cloro dal polimero, creando siti di carbonio molto reattivi; poi si formano nuovi legami carbonio-carbonio che collegano progressivamente i residui delle catene iniziali.

Il riarrangiamento favorito dal calore produce una rete estesa anziché frammenti separati del materiale di partenza. All’interno di questa rete emergono anelli non esagonali: accanto a quelli con sei atomi di carbonio compaiono strutture con cinque o sette atomi. Queste geometrie introducono curvature, secondo la ricostruzione dei ricercatori. Un pallone da calcio offre un’analogia intuitiva: i pentagoni permettono alla superficie di incurvarsi.

Cosa cambia e quali sono gli effetti

Nel materiale simulato, le forme non esagonali ostacolano l’allineamento nei fogli piatti tipici della grafite. Questo ha conseguenze concrete sulla progettazione degli anodi, gli elettrodi in cui il carbonio duro può ospitare il sodio durante la carica. Collegare la chimica del precursore alla struttura finale potrebbe aiutare a selezionare i materiali di partenza per ottenere le proprietà elettrochimiche desiderate.

Gli autori hanno reso disponibili i dati della ricerca, compreso il modello delle interazioni atomiche e gli insiemi utilizzati per l’addestramento e la verifica, consentendo ad altri gruppi di riutilizzare questo lavoro. Il risultato resta comunque una ricostruzione del processo di formazione: per tradurlo in batterie migliori è necessario verificare sperimentalmente la correlazione tra precursore, struttura del carbonio e prestazioni dell’elettrodo.

Fonte e approfondimento su batterie al sodio: articolo originale.

* Contenuto realizzato con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale.