Una scoperta fortuita durante la ricerca sulle batterie presso l'Oregon State University ha importanti implicazioni per l'invenzione di nuovi materiali con una vasta gamma di applicazioni scientifiche e commerciali, dice l'autore corrispondente dello studio.

Molte delle sfide più significative della scienza risalgono ai limiti dei materiali disponibili noti, ma un fenomeno chiamato "inserimento di controioni" dai ricercatori dell'OSU College of Science apre la porta a "un gran numero di nuovi solidi con valori che trascendono le diverse discipline ben oltre la chimica delle batterie, " disse Xiulei (David) Ji, professore associato di chimica. "Questo è il punto di partenza di un campo completamente nuovo."

Per esempio, le batterie progettate utilizzando questa costruzione mostrano un notevole potenziale per lo stoccaggio di energia a basso costo, ha detto Ji. Rispetto alle batterie agli ioni di litio utilizzate per alimentare i cellulari, computer portatili, attrezzature mediche, utensili elettrici, veicoli e altro, sono più sicuri e più rispettosi dell'ambiente e possono essere più convenienti.

I risultati sono stati appena pubblicati in Energia di carbonio .

La ricerca sulla chimica dell'immagazzinamento ionico nei solidi, in particolare, guardando gli anioni piuttosto che i cationi per immagazzinare energia:Ji e Ph.D. lo studente Heng Jiang ha testato l'ossido di manganese Mn3O4 come elettrodo in una batteria agli ioni di zinco.

Il test di ospitare ioni di zinco non ha avuto successo ma ha invece fornito un elettrodo di batteria al cloruro senza precedenti, mostrando che le batterie che ospitano anioni funzionano meglio dopo che i cationi sono intrappolati negli elettrodi.

"Ci aspettiamo che questo segni l'inaugurazione dell'inserimento di controioni come metodologia di elettrosintesi generica per la progettazione dei materiali, " Ji ha detto. "I processi di scarica o di carica della batteria possono essere potenti strumenti di sintesi, e il processo in cui un elettrodo non riesce a fornire le proprietà desiderabili in un tipo di batteria può essere l'esatta elettrosintesi necessaria per creare un elettrodo eccellente per un altro tipo di batteria".

Esistono molti tipi diversi di batterie, ma funzionano tutte allo stesso modo e contengono gli stessi componenti di base:due elettrodi:l'anodo, da cui gli elettroni fuoriescono in un circuito esterno, e il catodo, che acquisisce elettroni dal circuito esterno e l'elettrolita, il mezzo chimico che separa gli elettrodi e consente il flusso di ioni tra di loro.

La maggior parte delle batterie, Ji spiega, immagazzinare elettricità tramite cationi. Un catione è un elemento o una molecola a cui mancano uno o più elettroni ed è caricato positivamente. un anione, che può essere utilizzato anche per immagazzinare energia elettrica, è un elemento o una molecola che ha uno o più elettroni in più ed è caricato negativamente.

"Ci sono meno materiali noti in grado di immagazzinare anioni in modo reversibile rispetto a quelli per immagazzinare cationi, " Ji ha detto. "Come esempio per lo stoccaggio di cationi, l'inserimento reversibile degli ioni di litio ha portato alla tecnologia delle batterie agli ioni di litio."

Reversibile significa che la batteria può essere ricaricata, come quello in un cellulare.

Le batterie agli ioni di litio funzionano bene perché il catione immagazzinato è piccolo e leggero. Per lo stoccaggio di anioni, gli anioni desiderabili sono gli alogenuri, un singolo atomo di alogeno con un elettrone in più. Iodio, bromo, cloro, e il fluoro sono gli alogeni, e i loro anioni sono conosciuti come ioduro, bromuro, cloruro e fluoruro.

"Il cloruro è relativamente leggero e piccolo rispetto ad altri tipi di anioni che sono stati provati, ioni poliatomici voluminosi come il nitrato, solfato ed esafluorofosfato, che tendono a deformare gradualmente le strutture degli elettrodi, " disse Ji.

In questo studio, il catodo Mn3O4 immagazzina cloruro in modo reversibile con grande efficacia dopo che i cationi di zinco (Zn2+) sono stati intrappolati all'interno della struttura chimica del catodo.

"I cationi intrappolati trasformano Mn3O4 in modo tale che lo stoccaggio reversibile del cloruro diventi molto più praticabile, " disse Ji. "Lo zinco e il cloruro sono controioni l'uno per l'altro, che provoca interazioni favorevoli che portano a proprietà senza precedenti in termini di capacità, potenziale di funzionamento e ciclo di vita. Il catodo che ospita l'anione funziona con un anodo di metallo di zinco in una batteria a due ioni a celle complete con un elettrolita acquoso".

Le batterie a doppio ione hanno sia cationi che anioni coinvolti nella riduzione-ossidazione elettrochimica della batteria, o redox, reazione.

Le batterie della varietà a doppio ione che utilizzano elettroliti acquosi, elettroliti contenenti acqua, hanno "un notevole potenziale per l'immagazzinamento di energia a basso costo, " ha detto Ji. Rispetto alle batterie agli ioni di litio, sono più sicuri, più rispettoso dell'ambiente e può essere più conveniente.

"Abbiamo dimostrato questa chimica della batteria in attesa di brevetto in prototipi di celle a sacchetto, che è vicino alla commercializzazione, " ha detto. "Ancora più importante, l'inserimento di controioni sembra una metodologia con importanti implicazioni di elettrosintesi nell'intero spettro della scienza dei materiali. La conoscenza dell'inserimento di controioni crescerà potenzialmente in modo esponenziale nei prossimi tre-cinque anni con molti nuovi materiali da inventare".