Di nuovo stabilendo l'Università del Maryland (UMD) come leader nello sviluppo di una rivoluzionaria tecnologia delle batterie, un team guidato da ricercatori della A. James Clark School of Engineering di UMD ha creato una batteria di zinco a base d'acqua che è allo stesso tempo potente, ricaricabile, e intrinsecamente sicuro. Un documento sottoposto a revisione paritaria basato sulla ricerca è stato pubblicato il 16 aprile sulla rivista ad alto impatto Materiali della natura .

Insieme ai colleghi dell'U.S. Army Research Laboratory (ARL) e del National Institute of Standards and Technology (NIST), gli ingegneri UMD hanno combinato la vecchia tecnologia delle batterie (zinco metallico) con la nuova (elettroliti acqua-in-sale). Basandosi sui precedenti progressi dell'UMD per creare batterie più sicure utilizzando un nuovo elettrolita acquoso invece dell'elettrolita organico infiammabile utilizzato nelle batterie convenzionali agli ioni di litio, i ricercatori hanno aumentato l'energia della batteria acquosa aggiungendo zinco metallico - utilizzato come anodo della primissima batteria - e anche il suo sale all'elettrolita.

"Le batterie a base d'acqua potrebbero essere fondamentali per prevenire gli incendi nell'elettronica, ma il loro accumulo di energia e la loro capacità sono stati limitati - fino ad ora. Per la prima volta, abbiamo una batteria che potrebbe competere con le batterie agli ioni di litio in densità di energia, ma senza rischio di esplosione o incendio, "dice Fei Wang, un associato postdottorato nominato congiuntamente presso la Clark School e l'ARL di UMD, e primo autore dell'articolo.

I ricercatori affermano che la nuova batteria acquosa di zinco potrebbe essere utilizzata non solo nell'elettronica di consumo, ma anche in condizioni estreme per migliorare le prestazioni di veicoli critici per la sicurezza come quelli utilizzati in ambito aerospaziale, militare, e ambienti profondi dell'oceano.

Come esempio della potenza e della sicurezza della batteria allo zinco acquoso, Fei Wang cita i numerosi incendi di batterie nei telefoni cellulari, computer portatili, e le auto elettriche evidenziate nella recente copertura mediatica. La nuova batteria acquosa allo zinco presentata in questo lavoro potrebbe essere la risposta alla richiesta di una chimica sicura delle batterie, pur mantenendo le densità di energia comparabili o addirittura superiori delle tradizionali batterie agli ioni di litio.

Questa batteria allo zinco acquosa altamente concentrata supera anche altri svantaggi delle batterie allo zinco convenzionali, come la capacità di sopportare cicli di ricarica limitati, dendrite (strutture cristalline ad albero) durante l'uso e la ricarica, e consumo di acqua sostenuto, con conseguente necessità di rabboccare regolarmente l'elettrolito delle batterie con acqua.

"Le batterie allo zinco esistenti sono sicure e relativamente economiche da produrre, ma non sono perfetti a causa della scarsa durata del ciclo e della bassa densità di energia. Superiamo queste sfide utilizzando un elettrolita acqua-in-sale, "dice Chunsheng Wang, Professore UMD di ingegneria chimica e biomolecolare e corrispondente autore dell'articolo.

Ulteriore, in questo sforzo di collaborazione, i ricercatori hanno identificato il motivo fondamentale che causa l'irreversibilità nelle batterie allo zinco - un fenomeno osservato nell'uso delle batterie ricaricabili in cui la quantità di carica che una batteria può fornire alla tensione nominale diminuisce con l'uso - e hanno trovato una nuova soluzione. Il segreto era alterare la struttura della sfera di solvatazione del catione di zinco (ioni caricati positivamente).

"Poiché la maggior parte delle molecole d'acqua nel nuovo elettrolita sono fortemente legate dal sale altamente concentrato, l'acqua nell'elettrolita acquoso della batteria di zinco non evapora in una cella aperta. Questo progresso rivoluziona le batterie zinco-aria, che sono alimentati ossidando lo zinco con l'ossigeno dell'aria, come quelli utilizzati nello stoccaggio della rete energetica, " aggiunge Chunsheng Wang.

Il team di ricerca afferma che questo progresso tecnologico delle batterie pone le basi per ulteriori ricerche, e sono fiduciosi per una possibile futura commercializzazione.

"Le batterie allo zinco fornirebbero un mezzo potente ed economico di accumulo di energia se potessero essere ricaricabili. Questa ricerca ha scoperto modi per controllare quali molecole nell'elettrolita circondano gli ioni che si muovono avanti e indietro in una batteria quando immagazzinano e rilasciano energia. Qui, i coautori hanno applicato questa conoscenza per realizzare una batteria di zinco altamente ricaricabile che potesse offrire un basso costo, alternativa sicura per l'elettronica di consumo, macchine, e stoccaggio della rete elettrica, "dice Giuseppe Dura, un fisico al NIST e coautore dell'articolo.

"La significativa scoperta fatta in questo lavoro ha toccato il problema centrale delle batterie acquose allo zinco, e potrebbe avere un impatto su altri prodotti chimici cationici multivalenza acquosi o non acquosi che affrontano sfide simili, come le batterie al magnesio e all'alluminio, "dice Kang Xu, ARL fellow e co-autore corrispondente di questo articolo.