Gli scienziati guidati da un ricercatore della Oregon State University hanno sviluppato un nuovo elettrolita che aumenta l'efficienza dell'anodo di metallo di zinco nelle batterie di zinco a quasi il 100%, una svolta sulla strada per un'alternativa alle batterie agli ioni di litio per lo stoccaggio di energia su larga scala.
La ricerca fa parte di una ricerca globale in corso di nuove chimiche a batteria in grado di conservare l'energia solare e vento rinnovabile sulla rete elettrica per l'uso quando il sole non brilla e il vento non soffia.
Xiulei [David "Ji dell'OSU College of Science e una collaborazione che includeva HP Inc. e Grotthuss Inc., una società di spinout dello stato dell'Oregon, hanno riportato le loro scoperte sulla sostenibilità della natura .
[La svolta rappresenta un progresso significativo per rendere le batterie in metallo di zinco più accessibili ai consumatori ", ha affermato Ji. [Queste batterie sono essenziali per l'installazione di agricoltori solari e vento aggiuntivi. Inoltre, offrono una soluzione sicura ed efficiente per la conservazione dell'energia domestica , nonché moduli di accumulo di energia per le comunità vulnerabili alle catastrofi naturali ".
Una batteria memorizza l'elettricità sotto forma di energia chimica e attraverso le reazioni la converte in energia elettrica. Esistono molti tipi diversi di batterie, ma la maggior parte di esse funziona allo stesso modo e contiene gli stessi componenti di base. Ogni batteria ha due elettrodi - l'anodo, da cui gli elettroni fluiscono 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 loro .
Facendo affidamento su un metallo che è sicuro e abbondante, le batterie a base di zinco sono densi di energia e viste come una possibile alternativa per l'accumulo di energia della rete a batterie agli ioni di litio ampiamente usate, la cui produzione si basa sulla riduzione delle forniture di metalli rari come il cobalto e nichel. Anche il cobalto e il nichel sono tossici e possono contaminare gli ecosistemi e le fonti d'acqua se fossero fuori dalle discariche. Inoltre, gli elettroliti nelle batterie agli ioni di litio sono comunemente sciolti in solventi organici infiammabili che spesso si decompongono ad alte tensioni di funzionamento. Altre preoccupazioni per la sicurezza includono i dendriti, che assomigliano a piccoli alberi che crescono all'interno di una batteria. Possono perforare il separatore come carri che crescono attraverso le fessure in un vialetto, portando a reazioni chimiche indesiderate e talvolta non sicure.
[Le batterie in metallo di zinco sono una delle principali tecnologie candidate per lo stoccaggio di energia su larga scala ", ha detto JI. [Il nostro nuovo elettrolita ibrido utilizza acqua e un normale solvente per batteria, che non è infiammabile, conveniente e di basso impatto ambientale. L'elettrolita è composto da una miscela disciolta di sali di cloruro economici, con quello primario che è cloruro di zinco. "
Il costo dell'elettricità erogata da una struttura di stoccaggio composta da batterie di zinco può essere competitivo con l'elettricità prodotta da fossili solo se la batteria ha una lunga durata di migliaia di cicli, ha affermato Ji. Ad oggi, tuttavia, la durata del ciclo è stata limitata dalle scarse prestazioni di reversibilità dell'anodo di zinco. Durante la ricarica, JI spiega, i cationi di zinco negli elettroliti ottengono elettroni e vengono placcati sulla superficie dell'anodo. Durante la scarica, l'anodo placcato rinuncia agli elettroni per il carico di lavoro essendo sciolto nell'elettrolita.
[Questo processo di placcatura e dissoluzione dello zinco è spesso terribilmente irreversibile ", ha detto Ji. [Vale a dire, alcuni elettroni utilizzati nella placcatura non possono essere recuperati durante la scarica. Questo è un problema in un'area nota come efficienza coulombica."
L'efficienza coulombica, o CE, è una misura del modo in cui gli elettroni vengono trasferiti nelle batterie, il rapporto tra la carica totale estratta dalla batteria alla carica inserita in un ciclo completo. Le batterie agli ioni di litio possono avere un CE superiore al 99%.
Il nuovo elettrolita sviluppato da JI e collaboratori, compresi gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology, Penn State e l'Università della California, Riverside, hanno consentito un CE del 99,95%.
[La sfida principale con le batterie di zinco è che lo zinco reagisce con l'acqua nell'elettrolita per generare gas idrogeno in quella che viene chiamata reazione di evoluzione dell'idrogeno ", ha detto Ji. [Questa reazione parassita provoca una breve durata del ciclo ed è anche un potenziale pericolo per la sicurezza. "
Il nuovo elettrolita, tuttavia, limita la reattività dell'acqua e quasi chiude la reazione di evoluzione dell'idrogeno formando uno [strato di passione "sulla superficie dell'anodo. Uno strato di passivazione simile è ciò che ha consentito la commercializzazione iniziale delle batterie agli ioni di litio nelle batterie agli ioni di litio Anni '90. JI crediti il collega di chimica OSU Chong Fang per aver scoperto la struttura atomica dell'elettrolita utilizzando la spettroscopia Raman femtosecondi e Alex Greaney a UC Riverside per determinare il meccanismo di passione.
[Inoltre, vale la pena notare che l'efficienza che abbiamo misurato è in condizioni difficili che non mascherano alcun danno causato dalla reazione di evoluzione dell'idrogeno ", ha aggiunto Ji. [La svolta qui riportata annuncia la commercializzazione del vicino future delle batterie in metallo di zinco per archiviazione a griglia su larga scala. "
Anche Kyriakos Stylianou di Osu ha preso parte a questa ricerca, che è stata supportata dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
