Una strategia molecolare per batterie allo zinco più durature e prive di dendriti
Annunci
Le batterie acquose allo zinco metallico stanno suscitando crescente interesse come promettenti sistemi di accumulo di energia grazie alla loro intrinseca sicurezza, al basso costo e all’elevata densità energetica teorica. Tuttavia, il loro sviluppo pratico rimane ostacolato dal trasporto lento degli ioni di zinco, dalla deposizione irregolare del metallo, dalla formazione di dendriti e dall’evoluzione parassita di idrogeno. I ricercatori del Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics dell’Accademia cinese delle scienze, dell’Università di Jiangsu, dell’Istituto Helmholtz di Ulm e del Karlsruhe Institute of Technology hanno sviluppato una strategia elettrolitica a livello molecolare che utilizza la L-carnosina (L-CN) per regolare la chimica interfacciale. Indebolendo le interazioni tra gli ioni di zinco e l’acqua e ricostruendo il piano di Helmholtz dell’elettrodo, questo approccio consente un trasporto ionico più rapido e una deposizione di zinco più stabile, offrendo una strada promettente verso batterie allo zinco acquose di lunga durata.
Perché questa strategia per le batterie allo zinco è importante
Negli elettroliti acquosi convenzionali, le forti interazioni tra gli ioni Zn²⁺ e le molecole d’acqua circostanti creano un’elevata barriera di desolvatazione, rallentando il trasporto ionico sulla superficie dello zinco. Un flusso irregolare di Zn²⁺ può quindi favorire la crescita dendritica, mentre le molecole d’acqua reattive innescano l’evoluzione di idrogeno e la corrosione. Questi problemi interconnessi riducono l’efficienza coulombica, consumano l’elettrolita e accorciano la durata della batteria. Anziché affidarsi esclusivamente a un rivestimento protettivo artificiale, questo studio si concentra sulle interazioni molecolari che regolano la solvatazione degli ioni zinco e l’interfaccia elettrodo-elettrolita.
Progetto e meccanismo innovativi
I ricercatori hanno introdotto la L-carnosina, un dipeptide presente in natura contenente gruppi carbossilici, amminici, carbonilici e imidazolici, come additivo elettrolitico multifunzionale. Il suo momento dipolare permanente di 5,34 D è circa 2,5 volte quello dell’acqua, consentendogli di competere per il coordinamento con lo Zn²⁺ e di sostituire parzialmente le molecole d’acqua nel guscio di solvatazione primario. Ciò indebolisce le interazioni Zn²⁺–acqua e facilita la desolvatazione. L-CN si adsorbe inoltre preferenzialmente sulla superficie dello zinco, ricostruendo il piano di Helmholtz interno in una struttura interfacciale conduttiva per lo Zn²⁺. Nel loro insieme, questi effetti accelerano il trasporto ionico, ridistribuiscono il flusso di Zn²⁺, sopprimono le reazioni parassite e favoriscono una deposizione uniforme del metallo. La concentrazione ottimizzata dell’additivo era di soli 10 mmol L-1 in un elettrolitadi ZnSO4a 2 M.
Prestazioni eccezionali
L’elettrolita modificato con L-CN offre un’efficienza coulombica media del 99,72% su 2.000 cicli nelle celle Zn||Cu. Le celle simmetriche Zn||Zn funzionano in modo stabile per oltre 7.000 ore, rispetto al guasto che si verifica dopo circa 680 ore nell’elettrolita non modificato. Anche a un’elevata profondità di scarica dell’85,4%, le celle rimangono stabili per oltre 200 ore. L’additivo riduce inoltre l’energia di attivazione della desolvatazione da 46,14 a 27,93 kJ mol⁻¹ e aumenta il numero di trasferimento di Zn²⁺ da 0,283 a 0,574. Nelle celle complete, il sistemaZn||V₂O₅₋_xeroga 289 mAh g⁻¹ dopo 500 cicli a 1 A g⁻¹ con un basso rapporto di capacità tra polo negativo e polo positivo pari a 3,98.
Applicazioni e prospettive future
La strategia si dimostra promettente anche al di là delle celle a moneta su scala di laboratorio. Una cella a sacchetto di grandi dimensioni ha mantenuto una ritenzione di capacità pari a circa il 100% per oltre 200 cicli a 1 A g⁻¹ e ha alimentato con successo un dispositivo elettronico intelligente. Poiché l’L-CN regola l’interfaccia elettrolita-elettrodo attraverso il coordinamento molecolare anziché affidarsi esclusivamente a uno strato protettivo separato, l’approccio offre una via potenzialmente versatile per migliorare la stabilità dello zinco metallico. Ulteriori verifiche in condizioni operative reali contribuiranno a stabilirne l’idoneità per l’accumulo di energia su larga scala, comprese le applicazioni che richiedono batterie acquose sicure, durevoli ed economiche.
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
Altre notizie dal dipartimento scienza
Le notizie più lette
Altre notizie dagli altri portali
Vedere i mondi tematici per i contenuti correlati
Il mundo della tecnologia delle batterie
Il mundo della tecnologia delle batterie riunisce in modo unico tutte le conoscenze rilevanti. Qui troverete tutto ciò che riguarda i fornitori e i loro prodotti, webinar, white paper, cataloghi e brochure.
Il mundo della tecnologia delle batterie
Il mundo della tecnologia delle batterie riunisce in modo unico tutte le conoscenze rilevanti. Qui troverete tutto ciò che riguarda i fornitori e i loro prodotti, webinar, white paper, cataloghi e brochure.