Decodifica dei processi di invecchiamento nelle batterie a sali fusi sodio-zinco
Osservazione diretta dei cicli di carica mediante raggi X
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Finora è stato possibile dedurre solo indirettamente perché le batterie ad alta temperatura perdono efficienza e durata durante l'uso. Per la prima volta, un team dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha utilizzato la cosiddetta radiografia operante a raggi X per osservare direttamente una batteria a sale fuso sodio-zinco a circa 600 gradi Celsius. Le immagini rivelano processi precedentemente nascosti e mostrano che, in condizioni operative reali, gli strati di separazione all'interno della batteria possono rivelarsi problematici. I risultati forniscono informazioni importanti per nuovi concetti di celle semplificate per l'accumulo di energia su larga scala.
Progettazione di una batteria a metallo liquido - Progetto Solstice
HZDR / Blaurock
Le batterie ai sali fusi di sodio e zinco sono considerate un'opzione molto promettente per l'accumulo di energia stazionario. Ma invecchiano troppo rapidamente. "Questi sistemi hanno un grande potenziale perché il sodio e lo zinco sono poco costosi e facilmente disponibili", spiega il Dr. Norbert Weber. In qualità di coordinatore del progetto UE SOLSTICE, lo scienziato dell'HZDR ha studiato sistematicamente diversi concetti di accumulo di sodio e zinco. "Allo stesso tempo, non avevamo una comprensione chiara del perché le celle perdessero così tanta efficienza durante l'uso". Un vantaggio della tecnologia ad alta temperatura è che i metalli sono liquidi a diverse centinaia di gradi Celsius e possono essere trasportati in modo particolarmente veloce. Ma è proprio questa dinamica che rende i sistemi difficili da controllare.
Per molto tempo è stato possibile dedurre solo indirettamente il motivo per cui le batterie a sali fusi sodio-zinco invecchiano prematuramente. Le classiche misurazioni elettrochimiche registrano corrente e tensione, ma non forniscono un quadro completo dei processi all'interno delle celle. "La nostra batteria è completamente liquida. Ciò che accade è altamente dinamico", spiega Martins Sarma, autore principale dello studio. "Ma non possiamo semplicemente aprire una batteria per guardarci dentro mentre è in funzione. E se la lasciamo raffreddare, le strutture cambiano radicalmente".
Osservare direttamente i cicli di carica con i raggi X
Per visualizzare comunque questi processi, il team ha utilizzato la radiografia a raggi X operando, un metodo di imaging che ha permesso di seguire direttamente la carica e la scarica in condizioni operative reali per la prima volta. Questo metodo ha rivelato i movimenti del sodio, dello zinco e dell'elettrolita che determinano l'efficienza e la longevità della batteria. Le immagini hanno fornito una visione inaspettatamente chiara di un elemento considerato indispensabile in molti concetti di celle: il separatore. Si tratta di uno strato di separazione poroso tra gli elettrodi che impedisce il contatto diretto tra il sodio e lo zinco e dovrebbe quindi prevenire reazioni collaterali indesiderate.
Tuttavia, le radiografie rivelano che durante il funzionamento, lo zinco può accumularsi nell'area del separatore. Lì perde il contatto elettrico con l'elettrodo e non è più disponibile per continuare ad alimentare la batteria. "È un po' come se il materiale rimanesse incastrato in un setaccio", spiega la dottoressa Natalia Shevchenko, che lavora all'immagazzinamento di energia elettrochimica e alla sua analisi presso l'HZDR. "Con il passare del tempo, si perde sempre più zinco attivo - un meccanismo che aiuta a spiegare l'invecchiamento delle cellule".
I risultati dimostrano soprattutto una cosa: i separatori nelle batterie a sali fusi sodio-zinco non sono un componente passivo, ma influenzano in modo significativo il funzionamento e l'invecchiamento delle celle. In esperimenti supplementari che escludevano un separatore, gli scienziati hanno osservato che lo zinco non aderiva a una barriera solida e non si perdeva in modo permanente. Allo stesso tempo, però, l'autoscarica aumentava perché sodio e zinco potevano entrare in contatto più facilmente. Il confronto dimostra chiaramente che i separatori devono essere rivalutati in condizioni di alta temperatura.
Su questa base, il team sta ora lavorando a miglioramenti specifici del concetto di cella. L'obiettivo è controllare meglio il trasporto delle sostanze tra le fasi liquide senza dover dipendere da componenti complessi o costosi. A lungo termine, ciò dovrebbe produrre soluzioni robuste, semplici ed economiche che facilitino l'uso delle batterie a sali fusi sodio-zinco nell'accumulo di energia su larga scala anche al di fuori dei laboratori.
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.
Pubblicazione originale
M. Sarma, N. Shevchenko, N. Weber, T. Weier, Operando characterisation of Na-Zn molten salt batteries using X-ray radiography: insights into performance degradation and cell failure, in Energy Storage Materials, 2025.
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