Vista la crescita crescente richiesta di energia, i mondo dell’energy storage continua a cercare dispositivi che uniscano elevata capacità e durata ad un basso costo e un’alta compatibilità ambientale. Oggi delle nuove batterie ad aria allo stato solido potrebbero aprire le porte ad uno dei più promettenti compromessi in questa direzione. Merito di un gruppo di scienziati dell’Università di Waseda, in Giappone, che hanno testato una nuova ricetta per la cella elettrochimica.
Ma vediamo queste batterie come funzionano.
Batterie ad aria allo stato solido
Le batterie ad aria utilizzano l’ossigeno ambientale come materiale attivo nell’elettrodo positivo, metalli come litio, alluminio o zinco per gli elettrodi negativi ed elettroliti liquidi. Hanno attirato l’attenzione della ricerca grazie ad una energia specifica teorica di ben 11.140 Wh/kg e una capacità massima di 1100 mAh/g. Tuttavia allo stato attuale i dispositivi più studiati, come le Li-aria o le Zn-aria, presentano problemi intrinseci di elevata resistenza ohmica e di crescita incontrollata di dendriti, che influiscono negativamente sulle p restazioni della batteria. Oltre a vantare un considerevole impatto ambientale.
I dendriti (da dendrom, albero) sono ramificazioni sottili di forma tubolare, la cui principale funzione è ricevere segnali in entrata (afferenti). Sono quindi deputati alla conduzione degli stimoli dalla periferia verso il centro o soma (direzione centripeta).
Ecco perché negli ultimi anni si è provato a sostituire i metalli con molecole organiche redox-attive a base di chinone o ammina. Il risultato sulla carta è stato molto soddisfacente: una batteria aria-molecole organiche può raggiungere una capacità massima di oltre 200 mAh/g per oltre 60mila cicli di carica/scarica. In altre parole si perdono i problemi legati alla formazione di dendriti così come quelli di impatto ambientale. Rimangono però i rischi legati alla sicurezza, dalla elevata resistenza elettrica all’infiammabilità.
In un recente studio pubblicato su Angewandte Chemie International Edition (testo in inglese), il gruppo di ricercatori guidato dal professor Kenji Miyatake ha sviluppato una innovativa batteria ad aria a stato solido (SSAB), valutandone capacità e durata. Gli scienziati hanno scelto una sostanza chimica chiamata 2,5-diidrossi-1,4-benzochinone (DHBQ) e il suo polimero PDBM come materiali attivi per l’elettrodo negativo grazie loro reazioni redox stabili e reversibili in condizioni acide. E hanno impiegato un polimero conduttore di protoni chiamato Nafion come elettrolita solido.
Il team ha valutato sperimentalmente le prestazioni di carica-scarica, le caratteristiche di velocità e la ciclabilità, scoprendo che, a differenza delle tipiche batterie aria-metallo, la SSAB non si deteriora in presenza di acqua e ossigeno.
Lo studio è ancora all’inizio e le prestazioni rimangono basse ma la ricerca ha aperto una nuova strada per le ricaricabili. “Questa tecnologia , secondo i ricercatori, può prolungare la durata della batteria di piccoli gadget elettronici come gli smartphone e contribuire alla realizzazione di una società priva di emissioni di carbonio”.
Giuseppe
divulgatore scientifico
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