Trasformare i rifiuti vegetali in batterie sicure di nuova generazione
Un idrogel a base vegetale doma i dendriti di zinco e spinge le batterie acquose oltre i 1.000 cicli stabili
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Le batterie acquose agli ioni di zinco promettono un immagazzinamento di energia sicuro e a basso costo, ma lo zinco metallico sviluppa dendriti aghiformi che mandano in cortocircuito le celle entro poche centinaia di cicli. Ora, un idrogel di origine puramente vegetale sembra risolvere il problema senza ricorrere ad additivi tossici o a costose ceramiche.
Il team ha sciolto la cellulosa microcristallina in un bagno di ghiaccio con alcali e urea, quindi ha cucito insieme il polimero con il borace per formare la rete primaria. In questa impalcatura sono state inserite nanofibre di cellulosa ossidate con TEMPO, filamenti simili a nastri spessi 3 nm e lunghi centinaia di nanometri che trasportano densi gruppi carbossilici. Le nanofibre agiscono sia come armature meccaniche che come vie di comunicazione ioniche: le simulazioni di dinamica molecolare mostrano che la diffusione di Zn2+ lungo il composito sale a 4,59 × 10-4 m2 s-1, quasi il doppio rispetto alla cellulosa semplice.
I test meccanici rivelano che il film ottimizzato, spesso solo 1 mm, raggiunge una resistenza alla trazione di 0,57 MPa dopo l'immersione in ZnSO4 2 M, quattro volte più resistente del controllo di sola cellulosa, ma ancora trasparente al 62%. Le celle simmetriche Zn//Zn ciclate a 0,5 mA cm-2 sopravvivono per 1 100 h senza brusche cadute di tensione, mentre i separatori commerciali in fibra di vetro si guastano dopo 120 h. Anche a 10 mA cm-2 l'idrogel resiste per 650 h e un test in forno a 45 °C mostra una durata quattro volte superiore rispetto al benchmark liquido.
Se accoppiate con un catodo V2O5 pre-trattato con NaCl, le celle complete forniscono 237 mAh g-1 a 0,2 A g-1 e mantengono il 79,9% della loro capacità dopo 1 000 cicli a 1 A g-1; gli elettroliti liquidi si riducono al 69,4%. Le immagini AFM post-mortem mostrano che la superficie dello zinco protetto rimane liscia (Ra ≈ 52 nm) mentre la controparte liquida sviluppa noduli dendritici ruvidi (Ra ≈ 108 nm).
Il materiale è stato progettato per la produzione nel mondo reale. Tutti gli ingredienti - polvere di cellulosa, polpa di bambù, borace e ZnSO4 - sono prodotti chimici di base e il gel può essere colato su rotoli come nella fabbricazione della carta. I costi dimostrano che 1 cm2 di bio-gel costa solo l'8% di un separatore commerciale in fibra di vetro, mentre la digestione con cellulasi lo smaltisce in quattro ore, offrendo un percorso di fine vita che le membrane convenzionali non hanno.
Le celle flessibili costruite con l'elettrolita continuano ad alimentare un timer mentre sono piegate a 90° sotto un peso di 2 kg, lasciando intendere che potrebbero essere utilizzate come oggetti da indossare o come tessuti elettronici. Gli autori affermano che la stessa chimica di reticolazione dovrebbe funzionare con i sali di sodio o di alluminio, ampliando potenzialmente il dividendo della sostenibilità ad altre chimiche successive al litio.
Con il sostegno di agenzie di finanziamento in Cina per le prove in scala, l'idrogel di cellulosa sembra destinato a lasciare il laboratorio e a entrare nelle linee di rivestimento pilota, trasformando gli abbondanti scarti vegetali nel silenzioso guardiano delle batterie sicure di prossima generazione.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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