I ricercatori hanno progettato un elettrolita acquoso modificato con saccarosio che aumenta la mobilità dello ione di zinco in risposta al campo elettrico e ottiene con successo batterie allo zinco prive di dendriti senza compromettere le prestazioni elettrochimiche. Credito:Nano ricerca , Università di Tsinghua
A causa del loro basso costo e rispetto dell'ambiente, le batterie acquose allo zinco hanno il potenziale per svolgere un ruolo importante nei futuri sistemi di accumulo di energia per applicazioni come le reti elettriche. Tuttavia, una preoccupazione per la sicurezza ha rallentato il progresso di questa tecnologia emergente.
In uno studio del 28 luglio pubblicato su Nano Research , i ricercatori cinesi hanno presentato una soluzione che prevede la modifica chimica del comune zucchero da tavola per stabilizzare l'ambiente degli ioni di zinco e garantire applicazioni future.
Dalle auto elettriche ai sistemi di energia eolica e solare, una gamma sempre più diversificata di applicazioni ad alto consumo di energia continua ad aumentare la domanda di accumulo di energia su larga scala ea basso costo. Secondo lo studio, le batterie acquose di zinco (Zn) sono rapidamente salite in cima come una delle opzioni più promettenti per soddisfare la domanda in modo sostenibile.
"Sono ad alta sicurezza e convenienti rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio con elettroliti organici infiammabili", ha affermato l'autore del documento Meinan Liu, professore associato di nano-tecnologia e nano-bionica presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina. "Inoltre, l'anodo Zn presenta una capacità teorica molto elevata, il che rende queste batterie Zn ancora più promettenti per applicazioni come il futuro accumulo di energia della rete."
Tuttavia, quando lo ione zinco (Zn 2+ ) la concentrazione sulla superficie dell'anodo scende a zero, i dendriti iniziano a crescere. La crescita incontrollata dei dendriti di Zn deteriora le prestazioni elettrochimiche e rappresenta una seria minaccia per un funzionamento sicuro.
"Questi dendriti possono penetrare nel separatore e causare il cortocircuito della batteria", ha detto Liu.
Studi precedenti hanno dimostrato che la regolazione dell'ambiente del solvente (denominata "struttura di solvatazione") può aumentare la mobilità di Zn 2+ in risposta al campo elettrico sopprime con successo la crescita dei dendriti. Il problema era che questi aggiustamenti precedenti, come l'introduzione di altri sali o l'inclusione di un minor numero di molecole d'acqua, hanno finito per diminuire anche la conduttività ionica del sistema.
C'era un divario di comprensione fondamentale tra Zn 2+ struttura di solvatazione e sua mobilità, spiegata da Liu. Questo è stato un fattore chiave che ha influenzato la crescita dei dendriti e la stabilità dell'anodo Zn.
Nel tentativo di colmare questa lacuna, un gruppo di ricerca collaborativo di diverse istituzioni cinesi ha provato una nuova strada:introdurre zucchero da tavola comune con più gruppi idrossilici (un idrogeno e un ossigeno legati insieme) nell'elettrolita per regolare la struttura di solvatazione di Zn 2 + .
Conducendo simulazioni atomistiche ed esperimenti, il team di ricerca ha confermato che le molecole di saccarosio miglioravano la mobilità e bloccavano la crescita dei dendriti senza compromettere la stabilità. In effetti, questo metodo ha fornito anche vantaggi inaspettati:
"I risultati confermano che le molecole di saccarosio nella guaina di solvatazione non solo migliorano la mobilità, garantendo Zn 2+ veloce cinetica, ma protegge anche l'anodo di Zn dalla corrosione dell'acqua e ottiene con successo una deposizione senza dendriti di Zn e la soppressione della reazione laterale", ha affermato Liu.
Ciò dimostra il grande potenziale dell'utilizzo di questa semplice modifica del saccarosio per future batterie allo zinco ad alte prestazioni e avvicina il campo della ricerca all'obiettivo finale di ottenere una batteria Zn sicura, ecologica e ad alte prestazioni.
"Speriamo che questa batteria Zn sicura ea basso costo possa essere applicata allo stoccaggio di energia della rete", ha affermato Liu.
Questa tecnica si presta anche a ulteriori variazioni e modifiche:le celle Zn-carbon forniscono una maggiore densità di energia e una migliore stabilità, suggerendo una grande potenziale applicazione di elettroliti modificati con saccarosio per le future batterie Zn.
Negli studi futuri, i ricercatori valuteranno anche possibili casi d'uso e ostacoli per le batterie acquose allo zinco, in particolare come potrebbero gestire temperature estreme.
"L'elettrolito acquoso della batteria Zn sarà congelato a bassa temperatura, quindi stiamo cercando di affrontare l'influenza della temperatura sulle prestazioni della batteria", ha affermato Liu. + Esplora ulteriormente
