Articolo aggiornato il 4 settembre 2024
I progressi delle batterie agli ioni zinco
Tra i candidati alla competizione per l’energy storage di domani, le batterie agli ioni zinco si sono ritagliate negli ultimi anni una piccola ma in progressiva crescita fetta di interesse. Merito del materiale principale, lo zinco per l’appunto, metallo di transizione molto più abbondante del litio. Ma anche di una capacità volumetrica teorica più elevata a livello dell’elettrodo negativo. L’altro lato della medaglia? Esistono ancora dei nodi tecnici non trascurabili, a partire da quelli che influenzano la densità energetica. ma andiamo con ordine.
Batterie a ioni di zinco, come funzionano?
Le batterie agli ioni di zinco (ZIB, Zn-ion battery) sono batterie ricaricabili che utilizzano ioni Zn2+ come portatori di carica. A livello strutturale le celle impiegano zinco come anodo e un elettrolita (sempre contenente Zn) di tipo acquoso o non acquoso. In linea generale gli elettroliti possono essere liquidi ionici a temperatura ambiente (RTIL), elettroliti polimerici in gel o elettroliti allo stato solido (SSE). I GPE sono i più promettenti in quanto quelli allo stato solido soffrono di una conduttività ionica più scarsa che non supera 1 µS/cm in condizioni ambientali, mentre gli RTIL richiedono una procedura di sintesi non ecologica e un livello di purezza molto elevato.
Queste unità funzionano tramite intercalazione reversibile, simile al processo che guida le ricaricabili a ioni di litio. Lo zinco metallico dell’anodo si dissolve come ioni Zn nell’elettrolita durante la scarica. Nel catodo, questi ioni vengono assorbiti. Durante la carica, il processo viene invertito.
Batteria a ioni zinco vs batteria a ioni litio e batteria al piombo
Al momento attuale, le ZIB dimostrano diversi vantaggi rispetto alle batterie a ioni di litio e al piombo in termini di accumulo di energia su scala di rete. La domanda di efficienza dei costi e maggiore sicurezza nell’accumulo di energia su larga scala sta guidando lo sviluppo delle ricaricabili allo zinco, che promettono di ridurre i costi a meno di 50 dollari per kWh. Mettendole così in diretta competizione con le ioni di litio. Inoltre, la tecnologia a ioni di zinco mostra una densità energetica sostanzialmente più elevata (ad esempio, raggiungendo 150 Wh/kg nella batteria Zn-MnO2) rispetto alle batterie al piombo commerciali (50 Wh/kg), posizionandole come una scelta competitiva per applicazioni su scala di rete.
Tuttavia, a parte alcuni esperimenti di laboratorio (vedi sotto), mostrano ancora un deciso gap con la densità energetica delle batterie a ioni di litio.
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Problemi (e soluzioni) per le ZIB
La versione “acquosa” di queste batterie è fortemente limitate dalla reazione elettrochimica irreversibile dell’anodo di zinco. Per la precisione l’elettrodo è esposto alla crescita dei dendriti e a reazioni collaterali parassite.
Per tale tecnologia è fondamentale dunque capire come regolare le prestazioni elettrochimiche attraverso l’ottimizzazione della progettazione dell’elettrolita. Un’impresa in cui si sono cimentati gli scienziati dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC). Nell’articolo pubblicato sul Journal of American Chemical Society, i ricercatori hanno proposto un nuovo elettrolita per la batteria zinco-manganese. Il team ha impiegato una soluzione nanomicellare che utilizza metilurea e che è in grado di incapsulare gli ioni Zn2+ /Mn2+ in una struttura a nanodomini e in questo modo per guidare la deposizione omogenea e uniforme di zinco. Il gruppo, guidato dal Prof. Yan Lifeng, ha anche proposto un nuovo strato protettivo dell’interfaccia solido-elettrolita.
“Questo lavoro – spiega l’Ateneo in una nota stampa – migliora la precedente comprensione della fase solvente continua dell’elettrolita e stabilisce una rete di interazione locale/interfacciale che mantiene efficacemente la forma diffusiva tridimensionale degli ioni e la favorevole reazione di nucleazione interfacciale, ottenendo un’efficace soppressione dei dendriti metallici e del lato dell’elettrodo reazioni”.
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Grazie alla nuova ricetta sono state verificate reazioni di transizione a due elettroni altamente reversibili e le batterie a ioni zinco che sfruttano questa reazione mostrano una densità di energia senza precedenti – ben 800,4 Wh/kg riferita al materiale attivo del catodo – e una tensione di scarica fino a 1,87 V.