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L'accumulo di energia con le tecnologie delle batterie ricaricabili alimenta i nostri stili di vita digitali e supporta l'integrazione delle energie rinnovabili nella rete elettrica. Tuttavia, il funzionamento della batteria in condizioni di freddo è una sfida continua, motivando i ricercatori a migliorare le prestazioni delle batterie a bassa temperatura. Le batterie acquose (in una soluzione liquida) funzionano meglio delle batterie non acquose in termini di capacità di velocità (una misura dell'energia scaricata per unità di tempo) a basse temperature.
Nuova ricerca degli ingegneri della China University di Hong Kong pubblicata il 17 aprile su Nano Research Energy propone elementi di progettazione ottimali di elettroliti acquosi per l'uso in batterie acquose a bassa temperatura. La ricerca esamina le proprietà fisico-chimiche degli elettroliti acquosi sulla base di diverse metriche:diagrammi di fase, velocità di diffusione ionica e cinetica delle reazioni redox.
Le sfide principali per le batterie acquose a bassa temperatura sono che gli elettroliti si congelano, gli ioni si diffondono lentamente e la cinetica redox (processi di trasferimento di elettroni) è di conseguenza lenta. Questi parametri sono strettamente correlati alle proprietà fisico-chimiche degli elettroliti acquosi a bassa temperatura utilizzati nelle batterie.
Per migliorare le prestazioni della batteria in condizioni di freddo, quindi, è necessario comprendere come gli elettroliti rispondono al freddo (–50 o C a –95 o C). L'autore dello studio e professore associato Yi-Chun Lu afferma che "per ottenere batterie acquose a bassa temperatura (LT-AB) ad alte prestazioni, è importante studiare le proprietà fisico-chimiche dipendenti dalla temperatura degli elettroliti acquosi per guidare la progettazione di elettroliti acquosi a bassa temperatura (LT -AE)."
Valutazione degli elettroliti acquosi
I ricercatori hanno confrontato vari LT-AE utilizzati nelle tecnologie di accumulo di energia, incluso il Li + acquoso /Na + /K + /H + /Zn 2+ -batterie, supercondensatori e batterie di flusso. Lo studio ha raccolto informazioni da molti altri rapporti riguardanti le prestazioni di diversi LT-AE, ad esempio un elettrolita idrogel antigelo per un Zn/MnO acquoso2 batteria; e un glicole etilenico (EG)-H2 Elettrolita ibrido a base di O per una batteria di metallo Zn.
Lo studio ha esaminato sistematicamente i diagrammi di fase di equilibrio e di non equilibrio per questi LT-AE riportati al fine di comprendere i loro meccanismi antigelo. I diagrammi di fase hanno mostrato come la fase dell'elettrolita cambia al variare delle temperature. Lo studio ha anche esaminato la conduttività negli LT-AE rispetto alla temperatura, alle concentrazioni di elettroliti e ai portatori di carica.
L'autore dello studio Lu ha predetto che "gli elettroliti acquosi antigelo ideali non dovrebbero mostrare solo una bassa temperatura di congelamento T m ma possiede anche una forte capacità di superraffreddamento", ovvero il mezzo elettrolitico liquido dovrebbe rimanere liquido anche al di sotto della temperatura di congelamento, consentendo così il trasporto di ioni a temperature ultra basse.
Gli autori dello studio hanno scoperto che, in effetti, gli LT-AE che consentono alle batterie di funzionare a temperature ultrabasse dimostrano per lo più bassi punti di congelamento e forti capacità di superraffreddamento. Inoltre, Lu propone che "la forte capacità di superraffreddamento può essere realizzata migliorando il tempo minimo di cristallizzazione τ e aumentando il valore del rapporto tra la temperatura di transizione vetrosa e la temperatura di congelamento (T g /T m ) di elettroliti."
La conducibilità della carica degli LT-AE segnalati per l'uso nelle batterie potrebbe essere migliorata riducendo la quantità di energia richiesta per il trasferimento di ioni, regolando la concentrazione di elettroliti e scegliendo determinati portatori di carica che promuovono velocità di reazione redox rapida. Lu afferma che "ridurre l'energia di attivazione della diffusione, ottimizzare la concentrazione di elettroliti, scegliere portatori di carica con un basso raggio idratato e progettare meccanismi di diffusione concertata sarebbero strategie efficaci per migliorare la conduttività ionica degli LT-AE".
In futuro, gli autori sperano di studiare ulteriormente le proprietà fisico-chimiche degli elettroliti che contribuiscono a migliorare le prestazioni delle batterie acquose alle basse temperature. "Vorremmo sviluppare batterie acquose a bassa temperatura (LT-AB) ad alte prestazioni progettando elettroliti acquosi che possiedono una bassa temperatura di congelamento, una forte capacità di superraffreddamento, un'elevata conduttività ionica e una rapida cinetica redox interfacciale", afferma Lu. + Esplora ulteriormente
