Un nuovo materiale catodico avvicina alla realtà le batterie acquose agli ioni di zinco
I ricercatori hanno utilizzato la macinazione a sfere come metodo economicamente vantaggioso per indurre difetti di ossigeno nel MnO₂ elettrolitico
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Una delle sfide più grandi che scienziati e ingegneri devono affrontare nell’era dell’energia pulita non è come produrre energia sfruttando il sole e il vento, bensì come immagazzinarla.
Tradizionalmente, le batterie agli ioni di litio sono state utilizzate nei veicoli perché sono in grado di immagazzinare una grande quantità di energia in uno spazio ridotto, disperdono solo una minima quantità di energia durante la carica e la scarica e rispondono rapidamente alle variazioni della domanda di energia. Nonostante questi vantaggi, le batterie agli ioni di litio presentano rischi di infiammabilità, sono soggette a carenze nella catena di approvvigionamento e sono costose, il che ha stimolato la ricerca su altre tecnologie dei materiali per le batterie del futuro.
Una tecnologia che i ricercatori hanno studiato per l’impiego nelle batterie è quella delle batterie acquose agli ioni di zinco (AZIB). A differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, le AZIB utilizzano ioni di zinco bivalenti (Zn²⁺, un atomo metallico con carica positiva che ha perso due elettroni) al posto degli ioni di litio monovalenti (Li⁺) come portatori di carica, ovvero le particelle in movimento che trasportano una carica elettrica per generare un flusso di corrente. Inoltre, le AZIB utilizzano come elettrolita soluzioni saline neutre o acide deboli a base acquosa, sicure, anziché solventi liquidi organici volatili e altamente infiammabili, rendendole non infiammabili. Anche gli anodi delle AZIB, ovvero la fonte di elettroni e il luogo in cui avviene l’ossidazione chimica, sono realizzati con zinco, un materiale economico e abbondante, anziché con composti di litio, il che le rende più convenienti dal punto di vista economico.
Trovare un catodo ideale, ovvero un elettrodo caricato positivamente che acquisisca elettroni durante la scarica, per le AZIB è stato il principale ostacolo allo sviluppo di questa tecnologia. Per affrontare questo problema, un team di ricercatori dell’Università di Chongqing, dell’Università dell’Istruzione del Guizhou, dell’Università di Hainan e dell’Università di Taizhou ha esplorato l’uso del biossido di manganese elettrolitico (MnO₂) di sintesi come materiale catodico per le AZIB, grazie al suo basso costo, alla sua abbondanza, all’elevata capacità di accumulo di energia e alla sua sicurezza.
Il team ha pubblicato il proprio articolo, intitolato “Unveiling the action mechanism of synergistic d/p-band center modulation on the zinc storage capability of industrial-grade MnO₂ cathode” (Svelare il meccanismo d’azione della modulazione sinergica del centro della banda d/p sulla capacità di accumulo dello zinco del catodo in MnO₂ di grado industriale), il 15 luglio su Nano Research Energy, edita dalla Tsinghua University Press.
«L’applicazione pratica delMnO₂ elettrolitico prodotto industrialmente(EMD) è ostacolata dalla sua scarsa conduttività intrinseca — la capacità di condurre elettricità — che rallenta la cinetica di reazione, e dalla sua instabilità strutturale durante i cicli di carica e scarica. Quest’ultima porta a transizioni di fase irreversibili e a cambiamenti termodinamici che non consentono al sistema di tornare allo stato iniziale senza l’apporto di energia esterna, con conseguente degrado strutturale e dissoluzione del manganese, causando una perdita irreversibile di capacità. Pertanto, lo studio dei catodi a base di EMD rappresenta un passo fondamentale per colmare il divario tra la ricerca di base e l’implementazione pratica delle batterie AZIB… e soluzioni di accumulo energetico su scala di rete commercialmente sostenibili», ha affermato Zhenyue Xing, professore associato presso la Scuola di Scienze e Ingegneria dei Materiali dell’Università di Hainan a Haikou, in Cina, e autore dello studio di ricerca.
Un modo per migliorare la conduttività elettronica, indebolire l’intrappolamento elettrostatico degli ioni Zn²⁺ e accelerare la cinetica di diffusione ionica dell’EMD consiste nell’introdurre difetti di ossigeno, ovvero atomi di ossigeno mancanti nella struttura cristallina di un materiale solido, come il MnO₂, nell’EMD commerciale. Questi difetti lasciano elettroni in eccesso e consentono agli elettroni di muoversi liberamente attraverso il materiale.
I ricercatori hanno utilizzato la macinazione a sfere, un processo che sfrutta il movimento rotatorio o vibrante di sfere pesanti all’interno di un contenitore per macinare le polveri, come metodo economicamente vantaggioso per creare difetti di ossigeno nell’EMD. Attraverso questo processo, l’energia di taglio meccanico generata permette all’ossigeno reticolare presente nell’EMD di fuoriuscire.
Il team ha misurato le proprietà fondamentali dell’EMD sottoposto a macinazione a sfere rispetto all’EMD nativo, quali le energie di adsorbimento (la forza di legame tra una molecola e una superficie) e le barriere cinetiche, riflesse nelle energie di migrazione degli ioniZn²⁺e H⁺, ovvero le barriere energetiche che gli atomi o le molecole cariche devono superare per muoversi attraverso un materiale solido o un reticolo cristallino.
«A seguito del trattamento di macinazione a sfere, il contenuto di ossigeno dell’EMD diminuisce dal 68,93% al 61,17%, mentre il contenuto di manganese aumenta di conseguenza dal 31,07% al 38,83%. Questo cambiamento composizionale indica la formazione di lacune di ossigeno (Ov) all’interno della struttura del MnO₂. La presenza diOv favorisce il trasporto di elettroni tramite la semimetallicità indotta (una proprietà per cui gli elettroni con una determinata direzione di spin conducono elettricità come un metallo, mentre quelli con spin opposto si comportano come un isolante), migliorando la conduttività e, di conseguenza, le prestazioni elettrochimiche del catodo a base di MnO₂”, ha affermato Xing.
I ricercatori hanno scoperto che i difetti di ossigeno nell’EMD macinato a sfere modificano i livelli energetici delle bande (d) metalliche e delle bande (p) non metalliche (p), che si riferiscono agli orbitali atomici che conferiscono proprietà conduttive metalliche o non metalliche, per bilanciare le energie di legame ionico, impedendo l’intrappolamento o la ritenzione degli ioniZn²⁺e H⁺, uno degli svantaggi dell’EMD nativo. Questo spostamento dei livelli energetici riduce anche le barriere di diffusione (l’energia necessaria agli ioni per muoversi attraverso una struttura reticolare) e limita le distorsioni strutturali osservate nell’EMD durante i cicli di carica-scarica.
«Questo studio non solo fornisce un materiale elettrodico ad alte prestazioni per le batterie ZIB avanzate, ma offre anche approfondimenti meccanicistici sul ruolo critico della chimica dei difetti nella regolazione della cinetica di reazione, presentando un percorso promettente e scalabile per lo sviluppo di materiali di accumulo energetico di prossima generazione», ha affermato Xing.
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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