Le batterie acquose allo zinco sono alternative promettenti alle loro cugine agli ioni di litio, ma soffrono di uno degli stessi problemi: la formazione di dendriti. Queste strutture aghiformi si formano sulla superficie dell'anodo di zinco e crescono nell'elettrolita, provocando il cortocircuito o, in alcuni casi, persino l'accensione della batteria. Un team di ricercatori in Cina ha ora dimostrato che l'aggiunta di normale zucchero da tavola (saccarosio) modificato chimicamente con gruppi idrossilici all'elettrolita può rallentare la crescita dei dendriti di zinco modificando l'ambiente del solvente. Inoltre, il saccarosio forma anche un rivestimento protettivo sull'anodo e ne rallenta la corrosione.
Le batterie agli ioni di litio sono le batterie più utilizzate oggi nell'elettronica portatile e nei veicoli elettrici, ma gli elettroliti organici infiammabili e tossici che contengono sono motivo di preoccupazione. Il litio è anche costoso rispetto ad altri metalli più comuni e l'offerta globale è vittima di varie incertezze. Le batterie allo zinco, che normalmente sono formate con elettroliti acquosi, sono un sostituto interessante perché lo zinco è più economico, meno tossico, più facilmente riciclabile e più ampiamente disponibile del litio. Hanno anche un'elevata densità di energia, con un'elevata capacità specifica (820 mAh/ge 5 855 mAh/cm3) e un potenziale redox favorevole (-0.76 V rispetto all'elettrodo di idrogeno standard) dell'anodo Zn.
Il problema è che quando lo ione zinco (Zn2+) la concentrazione sulla superficie dell'anodo scende a zero, i dendriti iniziano a crescere su di esso. La presenza di queste strutture provoca il deterioramento delle prestazioni elettrochimiche della batteria e può essere pericolosa se lasciata incontrollata.
Modifica dell'ambiente del solvente
Studi recenti hanno dimostrato che la modifica dell'ambiente del solvente (o "struttura di solvatazione"), ad esempio introducendo sali o includendo un minor numero di molecole d'acqua, può aumentare la velocità con cui Zn2+ gli ioni si muovono in risposta a un campo elettrico e quindi sopprimono la crescita dei dendriti. Tuttavia, tali regolazioni purtroppo riducono la conduttività ionica del sistema di batterie, portando a prestazioni complessive inferiori.
Nel nuovo studio, i ricercatori guidati da un esperto di nanotecnologie Meinan Liu della Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha scoperto che l'introduzione di gruppi ossidrilici contenenti saccarosio è un modo efficace per regolare la struttura di solvatazione di Zn2+ ioni, che migliora la velocità di propagazione degli ioni senza diminuire la conduttività ionica. Il saccarosio può anche stabilizzare l'elettrolita acquoso mentre allo stesso tempo assorbe sull'anodo di Zn per formare uno strato protettivo su di esso. Questo impedisce la corrosione dell'elettrolita sull'anodo Zn, dicono.
“Il saccarosio con i gruppi ossidrile interagisce fortemente con Zn2+ rispetto alle molecole d'acqua nell'elettrolita", spiega Liu. “Può quindi sostituire alcune delle molecole d'acqua e coordinarsi con Zn2+, regolando così la struttura di solvatazione degli ioni.
Formazione di dendriti ridotta
“Lo Zn modificato2+ la struttura di solvatazione ha un'influenza importante sulla cinetica degli ioni, inclusa la velocità con cui si diffondono attraverso l'elettrolita", dice Mondo della fisica. “I nostri risultati sperimentali dimostrano chiaramente che il numero di transfert di Zn2+ gli ioni aumentano con l'introduzione del saccarosio. Questa maggiore mobilità degli ioni aiuta a ridurre la formazione di dendriti, come accennato.
Il sale industriale rende una batteria allo zinco più sicura e sostenibile
Secondo i ricercatori, la loro tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare batterie Zn ad alte prestazioni e avvicinare alla realtà una batteria Zn sicura ed ecologica.
Guardando al futuro, Liu e colleghi affermano che intendono concentrarsi sullo sviluppo di elettroliti con una buona conduttività ionica che funzionino a temperature più basse. Descrivono in dettaglio il loro presente studio Nano ricerca.
