Batterie agli ioni zinco: densità energetica record

EcoNews
Redazione
9 Ottobre 2023
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Negli ultimi anni, tra i contendenti nella corsa allo sviluppo di nuove forme di energy storage, le batterie agli ioni di zinco hanno cominciato a guadagnarsi uno spazio di rilievo nella ricerca scientifica. Ciò grazie al materiale principale utilizzato, ovvero lo zinco, un metallo di transizione molto più abbondante rispetto al litio. Inoltre, le batterie agli ioni di zinco presentano una capacità volumetrica teorica superiore a livello dell’elettrodo negativo. Tuttavia, c’è un problema non di poco conto: la versione “acquosa” di queste batterie è gravemente limitata dalla reazione elettrochimica irreversibile che coinvolge l’anodo di zinco. In sintesi, l’elettrodo è suscettibile alla formazione di dendriti e a reazioni collaterali che ne compromettono le prestazioni.

Un team di ricerca guidato dal Prof. Yan Lifeng dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha progettato un elettrolita nanomicellare a base di acqua utilizzando metilurea (Mu). I risultati sono stati pubblicati sul Journal of the American Chemical Society.

Nanomicellar Electrolyte To Control Release Ions and Reconstruct Hydrogen Bonding Network for Ultrastable High-Energy-Density Zn–Mn Battery | Journal of the American Chemical Society (acs.org)

Le batterie agli ioni di zinco in condizioni acquose (AZIB) sono alternative competitive per l’accumulo di energia pulita, tuttavia sono fortemente limitate dalla reazione elettrochimica irreversibile dell’anodo di zinco. Pertanto, è fondamentale studiare come regolare le prestazioni elettrochimiche delle AZIB attraverso l’ottimizzazione del design dell’elettrolita.

In questo lavoro, i ricercatori hanno proposto un design unico di elettrolita nanomicellare, che comprende ZnSO4, MnSO4 e un’alta concentrazione di molecole Mu attraverso una strategia di autoassemblaggio, in cui l’ambiente acquoso-solvente è suddiviso in regioni idrofile e idrofobe, e i cationi e gli anioni sono incapsulati in nanodomini.

I nano-cluster hanno bloccato la rete dei legami a idrogeno di massa a base di acqua, rompendo la rete di legami a idrogeno tra le molecole d’acqua e riconfigurando i legami a idrogeno localizzati all’interno delle micro-micelle e sulla loro interfaccia.

Nella struttura della guaina solvente degli ioni Zn2+/Mn2+ erano inoltre coinvolte molecole di Mu, che inibiscono la reazione di decomposizione dell’acqua. Gli ioni Zn2+/Mn2+ sono stati rilasciati in modo controllato dai cluster micellari, diffondendosi in modo tridimensionale e depositandosi uniformemente sulla superficie dell’elettrodo.

I ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo strato protettivo dell’interfaccia solido-elettrolita (SEI), Znx(Mu)ySO4∙nH2O, che è stato convertito in situ sulla superficie dell’anodo di zinco per evitare la corrosione dello zinco causata dall’infiltrazione di molecole d’acqua.

I risultati dei vari test mostrano che i gruppi carbonilici e le molecole di Zn2+/Mn2+ e Mu hanno una maggiore capacità di legame e sono in grado di ridurre il numero di molecole d’acqua presenti nella struttura della guaina solvente.

Grazie alla riconfigurazione del legame ad idrogeno all’interno dell’elettrolita micellare, sono state verificate reazioni di transizione a due elettroni altamente reversibili mediante microscopia elettronica a scansione non in situ, diffrazione di raggi X, Raman, diffrazione di raggi X e altri metodi di prova a diversi stati di carica. Le batterie zinco-manganese che utilizzano la reazione a due elettroni mostrano una densità di energia senza precedenti, pari a 800,4 Wh kg-1 (sulla base del materiale attivo del catodo) e una tensione di scarica fino a 1,87 V.

Questo lavoro aggiorna la precedente conoscenza della fase solvente continua dell’elettrolita e stabilisce una rete di interazione locale/interfacciale che mantiene efficacemente la forma diffusiva tridimensionale degli ioni e la vantaggiosa reazione di nucleazione interfacciale, ottenendo un’efficace rimozione delle dendriti metalliche e delle reazioni collaterali dell’elettrodo.

fonte articolo: Scientists design ultrastable, high-energy-density Zn–Mn battery (techxplore.com) – leggi anche Economia circolare: batterie al litio da vecchi catodi (ecquologia.com)