Progressi nella tecnologia delle batterie alternative

Il mondo ha bisogno di batterie economiche e potenti. Dovrebbero immagazzinare l'elettricità prodotta in modo sostenibile, in modo che sia a nostra decisione anche quando il vento non soffia e il sole non splende. Le batterie agli ioni di litio, che alimentano i nostri smartphone e le nostre auto elettriche, sono piuttosto costose perché c'è una corsa globale alla materia prima litio. Inoltre, queste batterie sono altamente infiammabili.

Le batterie allo zinco ad acqua sono una promettente alternativa alle batterie agli ioni di litio. Un team internazionale di ricercatori guidato dall'ETH di Zurigo ha ora sviluppato una strategia che farà progredire significativamente lo sviluppo di queste batterie allo zinco, rendendole più efficienti, più sicure e più rispettose dell'ambiente.

La sfida della longevità

Le batterie allo zinco presentano alcuni vantaggi: Lo zinco è abbondante, economico e facile da riciclare, poiché esiste un'infrastruttura di riciclaggio dello zinco ben sviluppata in tutto il mondo. Inoltre, le batterie allo zinco possono immagazzinare molta elettricità. E soprattutto, le batterie allo zinco non richiedono necessariamente solventi organici come fluidi elettrolitici, che sono altamente infiammabili. Si possono invece utilizzare liquidi elettrolitici a base di acqua.

Se solo non ci fossero alcuni problemi che gli ingegneri devono affrontare nello sviluppo di queste batterie: Quando le batterie allo zinco vengono caricate ad alta tensione, il liquido elettrolitico acquoso reagisce su uno degli elettrodi formando idrogeno gassoso. Questo provoca l'evaporazione del liquido elettrolitico e la diminuzione delle prestazioni della batteria. Questa reazione provoca anche l'accumulo di pressione eccessiva nella batteria, che può essere pericolosa. Un altro problema è rappresentato dai depositi di zinco a forma di ago, chiamati dendriti, che possono formarsi nella batteria durante la carica. Nel peggiore dei casi, questi possono addirittura causare un cortocircuito e rendere la batteria inutilizzabile.

I sali rendono tossiche le batterie

Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno perseguito la strategia di arricchire il liquido elettrolitico acquoso con sali per ridurre al minimo il contenuto di acqua. Tuttavia, questa strategia presenta anche degli svantaggi: Il liquido elettrolitico diventa viscoso e i processi di carica e scarica rallentano notevolmente. Inoltre, molti dei sali utilizzati contengono fluoro, per cui sono tossici e dannosi per l'ambiente.

Maria Lukatskaya, professoressa di Sistemi energetici elettrochimici presso l'ETH di Zurigo, ha ora unito le forze con i colleghi di diversi istituti di ricerca negli Stati Uniti e in Svizzera per cercare sistematicamente la concentrazione di sale ottimale per le batterie agli ioni di zinco basate sull'acqua. I ricercatori sono riusciti a dimostrarlo con esperimenti e simulazioni al computer: La concentrazione ottimale non è, come ipotizzato in precedenza, la più alta concentrazione di sale possibile, ma una relativamente bassa: da cinque a dieci molecole d'acqua per ione di sale con carica positiva.

Prestazioni durature e ricarica rapida

Gli scienziati non hanno utilizzato sali dannosi per l'ambiente per le loro ottimizzazioni, ma hanno lavorato con sali ecologici di acido acetico (acetati). "Con una concentrazione ottimale di acetati, siamo riusciti a ridurre al minimo la perdita di elettroliti e a evitare la formazione di dendriti, proprio come altri scienziati avevano fatto in precedenza con alte concentrazioni di sali tossici", spiega Dario Gomez Vazquez. ? un dottorando del gruppo di Lukatskaya e primo autore dello studio. "Inoltre, con il nostro approccio le batterie possono essere caricate e scaricate molto più velocemente".

Finora i ricercatori dell'ETH hanno testato la loro nuova strategia per le batterie su una scala di laboratorio relativamente piccola. Il prossimo passo sarà scalare l'approccio e vedere se può essere utilizzato anche per costruire batterie di grandi dimensioni. Un giorno queste batterie dovrebbero essere utilizzate, ad esempio, come accumulatori nella rete elettrica per compensare le fluttuazioni o nelle cantine delle case unifamiliari per garantire che l'energia solare prodotta durante il giorno sia decisa anche la sera.

Ci sono ancora alcune sfide da superare prima che le batterie allo zinco siano pronte per il mercato, come spiega l'ETH Lukatskaya: Le batterie sono costituite da due elettrodi - l'anodo e il catodo - e dal liquido elettrolitico interposto. "Siamo riusciti a dimostrare che l'anodo di zinco può essere caricato in modo più efficiente ottimizzando il liquido elettrolitico", spiega la professoressa. "In futuro, tuttavia, dovremo ottimizzare anche i materiali del catodo per ottenere batterie allo zinco efficienti e di lunga durata".