Il mondo ha bisogno di batterie economiche e potenti in grado di immagazzinare l’elettricità prodotta in modo sostenibile dal vento o dalla luce solare in modo da poterla utilizzare ogni volta che ne abbiamo bisogno, anche quando fuori è buio o non soffia vento. Le batterie più comuni che alimentano i nostri smartphone e le auto elettriche sono batterie agli ioni di litio. Questi sono piuttosto costosi perché la domanda mondiale di litio è in forte aumento e queste batterie sono anche altamente infiammabili.
Le batterie allo zinco a base d’acqua offrono una promettente alternativa a queste batterie agli ioni di litio. Un team internazionale di ricercatori guidato dall’ETH di Zurigo ha ora ideato una strategia che apporta progressi fondamentali allo sviluppo di tali batterie allo zinco, rendendole più potenti, più sicure e più rispettose dell’ambiente.
La durabilità è una sfida
Ci sono una serie di vantaggi per le batterie allo zinco: lo zinco è abbondante, economico e ha un’infrastruttura di riciclaggio matura. Inoltre, le batterie allo zinco possono immagazzinare molta elettricità. Ancora più importante, le batterie allo zinco non richiedono necessariamente l’uso di solventi organici altamente infiammabili come fluido elettrolitico, poiché possono anche essere prodotte utilizzando elettroliti a base d’acqua.
Se solo non ci fossero sfide che gli ingegneri devono affrontare durante lo sviluppo di queste batterie: quando le batterie allo zinco vengono caricate ad alta tensione, l’acqua nel fluido elettrolitico reagisce su uno degli elettrodi per formare idrogeno gassoso. Quando ciò accade, il fluido elettrolitico diminuisce e le prestazioni della batteria diminuiscono. Inoltre, questa reazione provoca l’accumulo di una pressione eccessiva nella batteria che può essere pericolosa. Un altro problema è la formazione di depositi appuntiti di zinco durante la ricarica della batteria, noti come dendriti, che possono perforare la batteria e nel peggiore dei casi causare anche cortocircuiti e rendere la batteria inutilizzabile.
I sali rendono le batterie tossiche
Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno perseguito la strategia di arricchire l’elettrolita liquido acquoso con sali per mantenere il contenuto d’acqua il più basso possibile. Ma ci sono anche degli svantaggi: rende viscoso il fluido elettrolitico, il che rallenta notevolmente i processi di carica e scarica. Inoltre, molti dei sali utilizzati contengono fluoro, che li rende tossici e dannosi per l’ambiente.
Maria Lukatskaya, professore di sistemi energetici elettrochimici all’ETH di Zurigo, ha ora unito le forze con i colleghi di diversi istituti di ricerca negli Stati Uniti e in Svizzera per cercare sistematicamente la concentrazione di sale ideale per le batterie agli ioni di zinco a base d’acqua. Utilizzando esperimenti supportati da simulazioni al computer, i ricercatori sono stati in grado di rivelare che la concentrazione di sale ideale non è, come si pensava in precedenza, la più alta possibile, ma relativamente bassa: da cinque a dieci molecole d’acqua per ione positivo di sale.
Prestazioni di lunga durata e ricarica rapida
Inoltre, i ricercatori non hanno utilizzato sali dannosi per l’ambiente per i loro miglioramenti, optando invece per sali ecologici dell’acido acetico, chiamati acetati. “Con una concentrazione ideale di acetati, siamo stati in grado di ridurre al minimo l’esaurimento degli elettroliti e prevenire i dendriti di zinco proprio come altri scienziati hanno fatto in precedenza con alte concentrazioni di sali tossici”, afferma Dario Gomez Vazquez, uno studente di dottorato nel gruppo di Lukatskaya e autore principale di lo studio. “Inoltre, con il nostro approccio, le batterie possono essere caricate e scaricate molto più velocemente.”
Finora, i ricercatori dell’ETH hanno testato la loro nuova strategia di batteria su una scala di laboratorio relativamente piccola. Il prossimo passo sarà ampliare l’approccio e vedere se può essere tradotto anche per batterie di grandi dimensioni. Idealmente, un giorno questi potrebbero essere utilizzati come unità di stoccaggio nella rete elettrica per compensare le fluttuazioni, ad esempio, o negli scantinati di case unifamiliari per consentire l’utilizzo serale dell’energia solare prodotta durante il giorno.
Ci sono ancora alcune sfide da superare prima che le batterie allo zinco siano pronte per il mercato, come spiega il professor Lukatskaya dell’ETH: le batterie sono costituite da due elettrodi – l’anodo e il catodo – e il fluido elettrolitico tra di loro. “Abbiamo dimostrato che regolando la composizione dell’elettrolita è possibile abilitare una carica efficiente degli anodi di zinco”, afferma. “Andando avanti, tuttavia, anche i materiali catodici ad alte prestazioni dovranno essere ottimizzati per realizzare batterie allo zinco durevoli ed efficienti”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
