Dimostrazione di un sistema di accumulo di energia rinnovabile. Foto della dimostrazione dei ricercatori di un sistema di accumulo di energia rinnovabile basato su un pacchetto DZMB (al centro della foto) integrato con moduli solari fotovoltaici (PV) e un generatore eolico tramite un controller. Il controller è stato anche collegato a un pannello a diodi a emissione di luce (LED), fungendo da carico elettrico. Credito:Zhong et al.
La domanda globale di batterie ricaricabili è cresciuta esponenzialmente negli ultimi dieci anni circa, poiché sono necessari per alimentare il numero crescente di dispositivi elettronici portatili come smartphone, computer portatili, compresse, orologi intelligenti e fitness tracker. Per lavorare in modo più efficiente, le batterie ricaricabili dovrebbero avere un'alta densità di energia, ma dovrebbero anche essere al sicuro, stabile e rispettoso dell'ambiente.
Mentre le batterie agli ioni di litio (LIB) sono ora tra i più diffusi sistemi di accumulo di energia ricaricabile, contengono elettroliti organici altamente volatili, che riduce notevolmente la loro sicurezza. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno quindi cercato di identificare nuove composizioni di batterie che non contengano elettroliti infiammabili e instabili.
Tra le alternative più promettenti ai LIB ci sono le batterie a base di elettroliti a base d'acqua non infiammabili e a basso costo, come le batterie al piombo e zinco-manganese. Queste batterie hanno numerosi vantaggi, tra cui maggiore sicurezza e bassi costi di produzione. Finora, però, la loro prestazione, la tensione di lavoro e la ricaricabilità sono state alquanto limitate rispetto a quelle delle soluzioni a base di litio.
Ricercatori presso il Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, il Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials e la Tianjin University in Cina hanno recentemente introdotto una nuova strategia di progettazione che potrebbe migliorare le prestazioni del biossido di zinco-manganese (Zn-MnO 2 ) batterie. L'approccio che hanno sviluppato, presentato in un articolo pubblicato in Energia della natura , comporta il disaccoppiamento degli elettroliti all'interno della batteria per consentire una chimica redox ottimale sia in Zn che in MnO 2 elettrodi.
"La nostra carta si è verificata involontariamente quando abbiamo assemblato uno Zn-MnO . alcalino 2 batteria con MnO . appena elettrodepositato 2 , che ha un residuo di H 2 COSÌ 4 (dal bagno di elettrodeposizione) sul MnO 2 superficie, "Prof. Cheng Zhong, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "La batteria assemblata ha mostrato una tensione di scarica più alta rispetto allo Zn-MnO . convenzionale 2 batterie, che ci ha incoraggiato a ridurre le cose all'essenziale, gettando le basi per il nostro studio."
Il prof. Zhong e i suoi colleghi hanno scoperto che la loro strategia per il disaccoppiamento degli elettroliti ha portato a prestazioni migliori di Zn-MnO 2 batterie con una tensione a circuito aperto di 2,83 V. Questo è un risultato molto promettente, considerando che più convenzionale Zn-MnO 2 le batterie hanno in genere una tensione di 1,5 V.
La capacità della batteria fabbricata utilizzando la loro strategia di disaccoppiamento elettrolitico, soprannominato DZBM, sbiadito solo del 2% dopo essere stato utilizzato continuamente e ricaricato per 200 ore. Inoltre, la batteria ha mantenuto il 100% della sua capacità a una varietà di densità di corrente di scarica. Sorprendentemente, i ricercatori hanno dimostrato che le batterie create con il loro metodo possono essere integrate anche con sistemi di alimentazione ibridi eolici e fotovoltaici, che ne aumenta ulteriormente la sostenibilità.
"La strategia di disaccoppiamento elettrolitico mira a consentire contemporaneamente la chimica redox ottimale sia dello Zn che dell'MnO 2 elettrodi, " Ha spiegato il Prof. Zhong. Le condizioni di lavoro del MnO 2 catodo e anodo di Zn sono stati disaccoppiati per consentire sia MnO . acido 2 e reazioni redox di Zn alcalino in una singola cellula. La batteria DZMB risultante ha una tensione di lavoro molto più elevata e una durata di ciclo prolungata rispetto al tradizionale Zn-MnO . alcalino 2 batterie."
Nel futuro, la nuova strategia di progettazione introdotta dal Prof. Zhong e dai suoi colleghi potrebbe essere utilizzata per produrre nuovi Zn-MnO 2 batterie economiche e sicure, ma che hanno anche tensioni a circuito aperto eccezionalmente elevate e una durata di ciclo prolungata. In particolare, la stessa strategia potrebbe essere utilizzata anche per migliorare le prestazioni di altre batterie acquose a base di zinco, compresi quelli con composizioni Zn-Cu e Zn-Ag.
"Dal momento che il costo e le prestazioni delle membrane iono-selettive all'avanguardia sono ancora insoddisfacenti, le nostre future ricerche si concentreranno sugli studi di progetti di disaccoppiamento senza l'utilizzo delle membrane, " Ha detto il prof. Zhong.
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