Una nuova batteria a zinco-aria supera le 300 ore di funzionamento e rappresenta un’alternativa al litio

Le batterie a zinco-aria da anni rappresentano un’alternativa interessante grazie alla loro capacità di immagazzinare energia e all’uso di materiali relativamente abbondanti. Tuttavia, esiste un ostacolo che ha limitato il loro sviluppo: far sì che possano essere ricaricate in modo efficiente e mantenere le loro prestazioni dopo numerosi cicli rimane una sfida per i ricercatori.

Un team di chimici dell’Università Tecnica di Darmstadt, in Germania, ha sviluppato un nuovo materiale che potrebbe aiutare a superare questo limite. La ricerca si concentra sul miglioramento delle reazioni chimiche che avvengono all’interno di queste batterie, al fine di ottenere un funzionamento più stabile e duraturo. I risultati ottenuti in laboratorio indicano possibili applicazioni nell’immagazzinamento di energia rinnovabile.

Un catalizzatore ibrido per migliorare le batterie a zinco-aria

Il segreto di questo progresso risiede in un catalizzatore composto da ferro, nichel e carbonio. Il team guidato dal professor Jörg J. Schneider ha combinato particelle di ferrite di nichel di dimensioni nanometriche con una struttura di carbonio modificata con azoto e fosforo. Questa configurazione permette di migliorare l’attività del materiale e di mantenere sotto controllo le reazioni chimiche necessarie per caricare e scaricare la batteria.

Le ferrite di nichel erano già state studiate come catalizzatori per favorire le reazioni dell’ossigeno nelle batterie a zinco-aria ricaricabili. Il problema era che questi materiali presentavano un’attività chimica limitata e potevano perdere stabilità durante il funzionamento. Per risolverlo, i ricercatori hanno incorporato queste piccole particelle in una struttura di carbonio a forma di nanocorni, che contribuisce a mantenerle disperse e impedisce che si aggreghino o si dissolvano con troppa facilità.

Questo involucro di carbonio facilita inoltre il trasporto degli elettroni e delle sostanze coinvolte nelle reazioni elettrochimiche. Allo stesso tempo, fornisce più punti attivi per favorire lo svolgimento di tali reazioni. Il risultato è un catalizzatore ibrido progettato per funzionare per più tempo senza perdere efficacia, uno dei requisiti fondamentali affinché le batterie a zinco-aria possano diventare un’opzione valida per le applicazioni di stoccaggio energetico.

Nelle prove effettuate, il materiale ha raggiunto un potenziale di semionda di 0,79 volt e una pendenza di Tafel di 56,5 millivolt per decennio, due parametri utilizzati per valutare il comportamento dei catalizzatori elettrochimici. Ha inoltre favorito una via di riduzione dell’ossigeno a quattro elettroni, un processo rilevante per migliorare l’efficienza delle reazioni che avvengono all’interno della batteria.

I risultati sono stati altrettanto promettenti integrando il catalizzatore in una cella completa. La batteria ha raggiunto una densità di potenza massima di 54 millivatii per centimetro quadrato, rispetto ai 28 millivatii per centimetro quadrato utilizzati come riferimento per i catalizzatori convenzionali basati su platino e rutenio. Questo confronto indica un miglioramento considerevole nelle condizioni sperimentali dello studio, anche se da solo non implica che il sistema sia pronto per la commercializzazione.

I risultati più sorprendenti sono emersi durante i test di carica e scarica. La batteria a zinco-aria è riuscita a funzionare per oltre 300 ore nei test di laboratorio, sottoposta a cicli di corrente costante. Secondo i ricercatori, il nuovo catalizzatore aiuta a stabilizzare la cosiddetta tripla interfaccia, ovvero l’area in cui si incontrano il catalizzatore solido, l’elettrolita liquido e l’ossigeno presente nell’aria.

Mantenere stabile questa interfaccia è essenziale affinché le reazioni avvengano in modo controllato. Se il catalizzatore perde la sua attività o si deteriora, le prestazioni della batteria possono diminuire e la sua durata di vita ne risente. Il nuovo materiale mira proprio a evitare tali problemi e a garantire condizioni di funzionamento più costanti per periodi prolungati.

Un’alternativa per immagazzinare energia rinnovabile

La loro capacità di immagazzinare grandi quantità di energia in relazione al loro peso le rende anche una tecnologia interessante. Tuttavia, è opportuno distinguere tra le possibilità teoriche della chimica zinco-aria e le prestazioni di una batteria commerciale completa. La densità energetica, la potenza disponibile, l’efficienza di carica e scarica nonché la durata reale dipendono dalla progettazione di ciascun sistema e dalle condizioni di funzionamento.

Fino ad ora, le batterie zinco-aria sono state utilizzate soprattutto in dispositivi di piccole dimensioni, come gli auricolari, dove la loro capacità di immagazzinamento risulta utile e non è necessario ricaricarle. Sviluppare versioni ricaricabili è stato molto più complicato a causa delle difficoltà nel controllare le reazioni chimiche durante i cicli di carica e scarica.

I progressi dell’Università Tecnica di Darmstadt affrontano una parte importante di quel problema, ma rimangono ancora questioni da risolvere prima di pensare a un’implementazione su larga scala. Le più rilevanti sono la durata a lungo termine, l’efficienza energetica dell’intero ciclo, il costo di produzione e la capacità di mantenere le prestazioni quando aumenta le dimensioni delle celle.

Per le sue caratteristiche, l’immagazzinamento statico di elettricità è una delle applicazioni più interessanti per questa tecnologia. Le batterie a zinco-aria potrebbero aiutare a conservare gli eccessi di produzione da impianti solari e parchi eolici per utilizzarli quando la generazione è insufficiente. In questo ambito, il costo dei materiali e la sicurezza possono essere altrettanto importanti della potenza massima offerta dal sistema.

A lungo termine, si potrebbe anche studiare il loro utilizzo nel trasporto pesante e nelle auto elettriche. Tuttavia, la densità di potenza moderata e le sfide legate alla ricarica rendono prematuro considerarle un sostituto diretto delle batterie attuali per le automobili. Per arrivare a questo risultato, sarà necessario dimostrare che i vantaggi osservati in laboratorio persistono nei sistemi completi, sottoposti a condizioni reali di utilizzo.

La ricerca rappresenta quindi un passo promettente verso batterie a zinco-aria più durature e facili da ricaricare. Le oltre 300 ore di funzionamento ottenute nei test dimostrano il potenziale del catalizzatore, anche se il vero salto tecnologico arriverà quando sarà possibile trasferire questi risultati a impianti di maggiori dimensioni e dimostrarne la sostenibilità economica.