Un collettore di corrente in acciaio rivestito da grafene consente di realizzare batterie acquose allo zinco con elevata capacità specifica e stabilità
Nuovi progressi per le batterie agli ioni di zinco
Si sono affermate come soluzione per lo stoccaggio energetico all’avanguardia grazie alla loro sicurezza, economicità e sostenibilità ambientale. Per battere le ricaricabili al litio, però, hanno ancora parecchia strada da compiere. Parliamo delle batterie agli ioni zinco, sistemi di accumulo elettrochimico dotati di elevata capacità teorica e basso costo. Una delle sfide ancora aperte? La scalabilità.
È qui che entra in gioco una nuova ricerca di settore. Un team di scienziati sudcoreani, guidato dal Professore Associato Geon-Hyoung An del Dipartimento di Ingegneria Energetica e dei Materiali dell’Università di Dongguk, ha proposto un collettore di corrente alternativo e più facile da produrre a livello industriale. Ma per capire a pieno la portata dello studio è necessario fare qualche passo indietro.
Batterie a ioni di zinco
Le batterie agli ioni di zinco sono composte da un anodo di zinco metallico, un elettrolita contenente zinco e un catodo in materiali intercalanti ioni Zn (come gli ossidi di manganese e vanadio). Questa tecnologia ricaricabile sta rapidamente guadagnando l’attenzione grazie ad una serie di caratteristiche interessanti per il mondo dell’energy storage.
A cominciare dal potenziale redox più elevato dello zinco (-0,763 V rispetto a un elettrodo a idrogeno standard), che consente alla batteria di funzionare con elettroliti acquosi. Non solo. Questi dispositivi sono intrinsecamente più sicuri delle batterie a ioni di litio e vantano un lungo ciclo di vita e una densità di energia volumetrica potenzialmente elevata.
Trasformare i prototipi di laboratorio in prodotti commerciali su larga scala significa trovare un modo per portare in produzione i collettori di corrente di queste batterie.
Di cosa si tratta? Di componenti chiave della cella elettrochimica. Tutte le batterie possiedono collettori di corrente, a livello degli elettrodi, in cui fluiscono le cariche. Realizzati tradizionalmente in fogli metallici, occupano una parte significativa del peso e delle dimensioni della cella stessa. Nelle batterie a ioni di zinco si usano tradizionalmente fogli in grafene che, al netto delle ottime prestazioni elettriche, presentano limitazioni tali in termini di scalabilità e proprietà meccaniche.
Limitazioni tali da rendere questa tecnologia inadatta ai processi industriali roll-to-roll.
Collettore di corrente in acciaio e grafene
Il lavoro dei ricercatori si inserisce esattamente a questo punto e si basa sull’impiego di un foglio di acciaio inossidabile rivestito di grafene.
In questo caso, il rivestimento in grafene seguito da un trattamento termico per rimuovere gli ossidi superficiali, migliora la conduttività e la resistenza alla corrosione dell’acciaio.
“A differenza dei collettori convenzionali – spiegano gli scienziati – il nostro materiale può essere prodotto tramite un semplice rivestimento in grafene e un trattamento termico per la rimozione dell’ossido superficiale. Ciò consente sia la scalabilità industriale che elevate prestazioni elettrochimiche”.
Sottoposta ai test di laboratorio la nuova batteria a ioni di zinco ha raggiunto capacità specifiche di 1,90 e 0,91 mAh/cm2 a densità di corrente rispettivamente di 0,3 e 2,0 °C. Dimostrando al contempo una notevole durata del ciclo riuscendo a mantenere l’88,7% della capacità iniziale per 1500 cicli di carica e scarica a una densità di corrente di 1,0 °C.
“Questa tecnologia è particolarmente adatta per sistemi di accumulo su scala di rete, soprattutto nel contesto dell’integrazione degli impianti rinnovabili”, spiegano gli scienziati. “Permettendo l’uso di batterie agli ioni di zinco a base d’acqua, il nostro approccio offre un’alternativa non infiammabile, economica ed ecologica ai tradizionali sistemi agli ioni di litio”.
I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Advanced Energy Materials.
