un'immagine SEM. La barra della scala:10 μm. b modello XRD. c Immagine AFM. d Immagine HRTEM di Zn3Mn vista lungo la direzione [001]. La barra della scala:10 nm. e, f Immagine HAADF-STEM e la corrispondente struttura cristallina atomica. Le barre della scala:2 nm. Le sfere viola nel modello della struttura cristallina rappresentano gli atomi di Zn/Mn occupati insieme. g Struttura atomica e paesaggio energetico ad-atomo superficiale di Zn3Mn. h Illustrazione schematica dei processi di placcatura in Zn sull'anodo di Zn (in alto) e sull'anodo di Zn-Mn (in basso). Da:stabile, alte prestazioni, senza dendriti, batterie acquose a base di acqua di mare
I ricercatori dell'Oregon State University College of Engineering hanno sviluppato un anodo della batteria basato su una nuova lega nanostrutturata che potrebbe rivoluzionare il modo in cui vengono progettati e realizzati i dispositivi di accumulo di energia.
La lega a base di zinco e manganese apre ulteriormente le porte alla sostituzione dei solventi comunemente usati negli elettroliti delle batterie con qualcosa di molto più sicuro ed economico, oltre che abbondante:acqua di mare.
I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
"Il fabbisogno energetico mondiale è in aumento, ma lo sviluppo di sistemi di accumulo di energia elettrochimica di nuova generazione con un'elevata densità di energia e una lunga durata del ciclo rimane tecnicamente impegnativo, " disse Zhenxing Feng, un ricercatore di ingegneria chimica presso l'OSU. "Batterie acquose, che utilizzano soluzioni conduttive a base acquosa come elettroliti, sono un'alternativa emergente e molto più sicura alle batterie agli ioni di litio. Ma la densità energetica dei sistemi acquosi è stata relativamente bassa, e anche l'acqua reagirà con il litio, che ha ulteriormente ostacolato l'uso diffuso delle batterie ad acqua."
Una batteria immagazzina energia sotto forma di energia chimica e attraverso reazioni la converte nell'energia elettrica necessaria per alimentare i veicoli, telefono cellulare, laptop e molti altri dispositivi e macchine. Una batteria è composta da due terminali:anodo e catodo, tipicamente realizzati con materiali diversi, oltre a un separatore e un elettrolita, un mezzo chimico che consente il flusso di carica elettrica.
In una batteria agli ioni di litio, come suggerisce il nome, una carica viene trasportata tramite ioni di litio mentre si muovono attraverso l'elettrolita dall'anodo al catodo durante la scarica, e viceversa durante la ricarica.
"Gli elettroliti nelle batterie agli ioni di litio sono comunemente disciolti in solventi organici, che sono infiammabili e spesso si decompongono ad alte tensioni di esercizio, " Feng ha detto. "Quindi ci sono ovviamente problemi di sicurezza, incluso con crescita di dendriti di litio all'interfaccia elettrodo-elettrolita; che può causare un cortocircuito tra gli elettrodi."
I dendriti assomigliano a minuscoli alberi che crescono all'interno di una batteria agli ioni di litio e possono perforare il separatore come i cardi che crescono attraverso le fessure in un vialetto; il risultato sono reazioni chimiche indesiderate e talvolta pericolose.
Gli incidenti di combustione che coinvolgono batterie agli ioni di litio negli ultimi anni includono un incendio a un Boeing 787 parcheggiato nel 2013, esplosioni negli smartphone Galaxy Note 7 nel 2016 e incendi di Tesla Model S nel 2019.
Le batterie acquose sono un'alternativa promettente per lo stoccaggio di energia sicuro e scalabile, Feng ha detto. Gli elettroliti acquosi sono competitivi in termini di costi, rispettoso dell'ambiente, in grado di ricarica rapida e densità di potenza elevata e altamente tollerante di cattiva gestione.
Il loro uso su larga scala, però, è stato ostacolato da una tensione di uscita limitata e da una bassa densità di energia (le batterie con una maggiore densità di energia possono immagazzinare maggiori quantità di energia, mentre le batterie con una maggiore densità di potenza possono rilasciare grandi quantità di energia più rapidamente).
Ma i ricercatori dell'Oregon State, l'Università della Florida centrale e l'Università di Houston hanno progettato un anodo costituito da una "lega di zinco-M" tridimensionale come anodo della batteria, dove M si riferisce al manganese e ad altri metalli.
"L'uso della lega con la sua speciale nanostruttura non solo sopprime la formazione di dendriti controllando la termodinamica di reazione superficiale e la cinetica di reazione, dimostra anche un'elevatissima stabilità su migliaia di cicli in condizioni elettrochimiche difficili, " Feng ha detto. "L'uso dello zinco può trasferire il doppio delle cariche rispetto al litio, migliorando così la densità energetica della batteria.
Un elettroventilatore (in alto a sinistra) è alimentato dalla proposta batteria allo zinco; profili di carica/scarica tipici di ZIB a 0,5C (in alto a destra); microscopio in situ per l'immagine della dinamica di deposizione di zinco (in basso a sinistra); e il cambiamento morfologico causato dalla deposizione di zinco (in basso a destra). Credito:Università di Houston
"Abbiamo anche testato la nostra batteria acquosa utilizzando acqua di mare, invece di acqua deionizzata di elevata purezza, come l'elettrolita, " ha aggiunto. "Il nostro lavoro mostra il potenziale commerciale per la produzione su larga scala di queste batterie".
Feng e Ph.D. lo studente Maoyu Wang ha utilizzato la spettroscopia di assorbimento dei raggi X e l'imaging per tracciare i cambiamenti atomici e chimici dell'anodo in diverse fasi operative, che ha confermato il funzionamento della lega 3-D nella batteria.
"I nostri studi teorici e sperimentali hanno dimostrato che l'anodo in lega 3-D ha una stabilità interfacciale senza precedenti, ottenuto da un canale di diffusione favorevole dello zinco sulla superficie della lega, " Feng ha detto. "Il concetto dimostrato in questo lavoro collaborativo porterà probabilmente un cambiamento di paradigma nella progettazione di anodi in lega ad alte prestazioni per batterie acquose e non acquose, rivoluzionando il settore delle batterie."
