L'adozione diffusa di energia rinnovabile nella rete elettrica richiede il giusto tipo di batteria, uno che sia sicuro, sostenibile, potente, di lunga durata, e realizzati con materiali abbondanti e di provenienza etica.

Grazie agli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), potremmo essere un passo più vicini alla realizzazione di quella visione.

In collaborazione con i colleghi dell'Argonne National Laboratory e del MEET Battery Research Center dell'Università di Münster in Germania, Scienziato dei materiali PNNL e Linus Pauling Distinguished Postdoctoral Fellow, Ismael Rodríguez Perez, ha formulato un nuovo tipo di chimica cellulare per batterie dual-ion (DIB). La nuova chimica DIB, chiamata grafite||batteria acquosa a doppio ione di zinco metallico, utilizza un anodo di zinco e un catodo di grafite naturale in un elettrolita acquoso o "acqua-in-bisalto".

Utilizzando con successo un catodo di grafite in un elettrolita acquoso

L'uso di elettroliti acquosi non è nuovo, né è l'uso di grafite. Infatti, le batterie agli ioni di litio (Li-ion) utilizzano la grafite come componente dell'anodo, e i DIB non acquosi utilizzano la grafite sia come anodo che come catodo. La novità è combinare i due in una nuova chimica.

Fare quello, Rodríguez Pérez e il suo team hanno dato una spinta in più all'elettrolita acquoso utilizzando una soluzione "acqua in bisalto" altamente concentrata. La soluzione amplia la finestra di stabilità elettrochimica dell'elettrolita e consente alla grafite di fungere da materiale catodico in un pratico sistema acquoso, cosa precedentemente ritenuta impossibile. Questo aiuta a stabilizzare l'elettrolita ad alte tensioni, permettendo alla grafite di ossidarsi elettrochimicamente prima dell'elettrolita acquoso.

"È solo un grande mashup di cose davvero interessanti messe insieme, " ha detto Rodríguez Pérez. "La concentrazione di ioni di sale è così incredibilmente alta, è quasi come se l'acqua non ci fosse più. Così, l'elettrolita acquoso non si decompone a tensioni dove normalmente farebbe, permettendo l'uso della grafite. Questo è il risultato più sorprendente in questo".

Rodríguez Pérez si basa su ricerche precedenti condotte da Kang Xu del Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e Chunsheng Wang dell'Università del Maryland, che per primo ha sviluppato questi elettroliti acquosi altamente concentrati nel 2015.

La batteria ha mostrato prestazioni promettenti durante i test. A circa 2,3 - 2,5 volt, ha raggiunto uno dei più alti potenziali operativi di qualsiasi batteria acquosa.

"Stiamo operando a tensioni più elevate rispetto a qualsiasi altra batteria acquosa di zinco e anche qualsiasi altra batteria acquosa a doppio ione, " ha aggiunto Rodríguez Pérez.

Rodríguez Pérez e i suoi collaboratori hanno descritto il nuovo tipo di chimica delle celle della batteria nell'articolo, "Abilitazione della grafite naturale nelle batterie a doppio ione metallico di grafite acquosa ad alta tensione, " che ha pubblicato lo scorso autunno in Materiali energetici avanzati .

Batterie più sicure e sostenibili

Ma la nuova chimica delle celle non solo migliora le prestazioni della batteria, è anche meglio per l'ambiente.

catodi realizzati con materiali a base di carbonio molto abbondanti, come grafite naturale, sono meno costosi e più sostenibili di quelli dannosi per l'ambiente, scarso, e metalli costosi, come nichel e cobalto, regolarmente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio. L'uso di un elettrolita acquoso rende anche i DIB più sicuri poiché non sono infiammabili rispetto alle batterie commerciali agli ioni di litio, che utilizzano esclusivamente elettroliti non acquosi.

"Nella ricerca sulle batterie, stiamo cercando di raggiungere diversi risultati che sono fondamentali per la crescita e l'adozione del mercato, " ha detto Rodríguez Pérez. "Vogliamo usare più abbondante, Meno costoso, e materiali più sostenibili, mentre, cosa più importante, aumenta la durata della batteria e mantiene una moderata densità di energia."

"La chimica cellulare della grafite || del metallo di zinco con l'elettrolita acquoso appositamente progettato può presentare vantaggi in termini di costi, sostenibilità, e sicurezza rispetto alle batterie agli ioni di litio, per i materiali utilizzati, " spiega Tobias Placke, capogruppo dei materiali al MEET Battery Research Center.

Nei DIB, sia il catodo positivo che l'elettrodo negativo possono essere realizzati con materiali a basso costo a base di carbonio come la grafite. Ciò rende i DIB una soluzione particolarmente promettente per supportare l'adozione diffusa di fonti energetiche rinnovabili, come l'eolico e il solare per la rete elettrica.

Ma fino ad ora, l'uso della grafite come catodo è stato limitato dalla stretta stabilità elettrochimica dell'acqua, che termina a 1,23 volt. La finestra di stabilità elettrochimica è l'intervallo di potenziale entro il quale l'elettrolita non è né ossidato né ridotto (decomposto), e un importante metro per misurare l'efficienza di un elettrolita a contatto con un elettrodo. La grafite richiederebbe una finestra di stabilità molto più ampia.

Ed è proprio quello che fa questa nuova chimica cellulare.

Potenziale entusiasmante per l'accumulo di energia nella rete stazionaria

La meccanica dei DIB è ciò che lo rende un'opzione particolarmente interessante per la rete elettrica.

Parlando in generale, ogni cella della batteria ha tre parti principali:un elettrodo positivo chiamato catodo, un elettrodo negativo chiamato anodo, e un elettrolita. Nelle batterie agli ioni di litio, l'energia viene generata quando gli ioni di litio (ioni o cationi carichi positivamente) fluiscono dal catodo all'anodo e viceversa con un movimento a sedia a dondolo attraverso l'elettrolita. Questo bilancia la carica quando gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno dal catodo all'anodo, creare elettricità.

Nei DIB, sia i cationi che gli anioni (ioni caricati negativamente) sono attivi e si muovono in parallelo dall'elettrolita all'anodo e al catodo, rispettivamente, in modo simile a una fisarmonica; questo consente applicazioni potenzialmente ad alta potenza, come supercondensatori, pur essendo in grado di utilizzare energia moderatamente elevata, come le batterie. Per di più, questo meccanismo rende attivi gli ioni nell'elettrolita, consentendo un'ulteriore ottimizzazione della batteria.

Ma c'è ancora del lavoro da fare. I DIB funzionano ancora solo a circa un terzo della capacità delle batterie agli ioni di litio, quindi non possono competere, ancora. Le batterie agli ioni di litio hanno ancora una delle densità di energia più elevate di qualsiasi sistema comparabile, il che significa che possono fornire una quantità significativa di energia e rimanere comunque piccoli. Questo vantaggio è uno dei motivi principali per cui vengono utilizzati nelle applicazioni mobili, come smartphone e auto elettriche.

Ma Rodríguez Pérez vede una soluzione a questo:rendere i DIB tre volte più grandi.

"Se riusciamo a raggiungere una tensione sufficientemente alta per la batteria, anche se le prestazioni non sono alla pari delle batterie agli ioni di litio, possiamo rendere le batterie dual-ion più grandi e renderle un candidato adatto per applicazioni di accumulo di energia in rete, " ha detto Rodríguez Pérez. "Anche se potresti non essere in grado di usarlo per alimentare il tuo telefono, la tua utenza locale può usarlo per immagazzinare energia per la tua casa, stabilizzare la rete, e aumentare l'affidabilità."

Un futuro luminoso per le batterie a doppio ione

L'International Union of Pure and Applied Chemistry ha elencato i DIB come una delle "Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2020" per riconoscerne il potenziale nella risoluzione dei "principali problemi globali" in futuro.

Continuare a sviluppare la scienza alla base delle batterie di accumulo dell'energia di rete può produrre nuovi approcci e nuove chimiche delle celle e avvicinarci ancora di più all'adozione diffusa di fonti di energia rinnovabile per la rete elettrica.

Ed è proprio quello che Rodríguez Pérez e il suo team al PNNL intendono fare. Il passaggio successivo prevede l'ottimizzazione dell'elettrolita acquoso "acqua in bisalto":attualmente il sale utilizzato nella chimica delle celle è più costoso di entrambi gli elettrodi.

"PNNL è al piano terra con questa promettente tecnologia, " ha affermato Rodríguez Pérez. "C'è così tanto spazio per l'innovazione nelle batterie a doppio ione".