Batterie zinco-aria, alternativa più economica e sicura rispetto agli ioni di litio

La ricerca su nuove tipologie di batterie procede senza sosta in quanto essenziale per affrontare sfide globali come il cambiamento climatico, migliorare l’efficienza energetica e, in generale, spingere sull’innovazione. Le nuove batterie zinco-aria potrebbero consentire di guardare in futuro a soluzioni più sostenibili ed efficienti.

Lo studio condotto da un team di ricercatori della Edith Cowan University (ECU), polo accademico australiano, ha messo in evidenza le incredibili potenzialità delle batterie zinco-aria, molto interessanti per il loro costo contenuto, per via dell’ecosostenibilità, dell’alta densità energetica teorica e della sicurezza intrinseca.

Cos’è e come funziona una batteria zinco-aria

Una batteria zinco-aria è composta da un elettrodo negativo di zinco e da un elettrodo positivo ad aria. Il principale svantaggio di questa soluzione era la limitata potenza erogata, a causa delle prestazioni scadenti degli elettrodi ad aria e della loro breve durata. Almeno fino ad oggi.

Gli studiosi della ECU, guidati dal professor Muhammad Rizwan Azhar, hanno infatti dimostrato che combinando l’utilizzo di materiali quali carbonio, minerali a base di ferro e cobalto è possibile ridurre la resistenza interna delle batterie portando la tensione rilevata a una soglia molta vicina a quella teorica. Il risultato consiste in una potenza massima sostenuta a fronte di un’elevata stabilità.

Fonte dell’immagine: CoNiFe-layered double hydroxide decorated Co-N-C network as a robust bi-functional oxygen electrocatalyst for zinc-air batteries

Azhar ha osservato che utilizzando risorse naturali, come lo zinco ampiamente disponibile e l’aria, le nuove batterie diventano super convenienti e utilizzabili a livello commerciale in molteplici campi applicativi. “Con l’avvento dei veicoli a lunga autonomia di prossima generazione e degli aeromobili elettrici, c’è una crescente necessità di sistemi di batterie più sicuri, economici e ad alte prestazioni che possano superare le capacità delle batterie agli ioni di litio“, ha affermato il responsabile della ricerca. “Oltre a rivoluzionare l’industria dello stoccaggio dell’energia, questa svolta contribuisce in modo significativo a costruire una società sostenibile, riducendo la nostra dipendenza dai combustibili fossili e mitigando gli impatti ambientali“.

Il design innovativo proposto per le batterie zinco-aria guarda al raggiungimento degli obiettivi di sviluppo sostenibile promossi dalle Nazioni Unite e quelli stabiliti dall’Accordo di Parigi nel 2015. Entrambe le risoluzioni sono orientate a promuovere l’utilizzo di risorse energetiche sostenibili a contrasto del cambiamento climatico.

Differenze tra batterie zinco-aria e batterie agli ioni di litio

Nelle batterie zinco-aria, l’elettrodo positivo è costituito dall’ossigeno presente nell’aria. Questo rende le batterie leggere e compatte, poiché non richiedono un elettrodo positivo solido.

Le batterie agli ioni di litio sono state inventate negli anni ’70 e ’80 da John Goodenough, recentemente scomparso, e dai suoi colleghi per poi essere commercializzate a partire dai primi anni ’90. Sono rapidamente diventate un punto di riferimento perché non manifestano l’effetto memoria, sono stabili, supportano un buon numero di cicli di carica-scarica e sono complessivamente sicure. Anche se possono essere suscettibili al surriscaldamento e all’incendio in determinate circostanze, richiedendo sistemi di gestione termica e di sicurezza adeguati.

Le batterie Li-ion utilizzano un elettrodo positivo solido che contiene materiali a base di litio, come il litio cobalto ossido (LiCoO₂) o il litio ferro fosfato (LiFePO₄).

Le batterie zinco-aria hanno dimostrato di avere una buona durata in termini di cicli di carica/scarica, ma possono essere influenzate negativamente dalla presenza di umidità e ossigeno nell’ambiente. Nello studio di Azhar e dei suoi collaboratori, la nuova soluzione ha mostrato un’elevata tensione a circuito aperto, pari a 1,48 V. Ha inoltre fatto registrare una bassa differenza di potenziale (0,77 V) con una densità di corrente di 5 mA cm⁻² durante la carica e la scarica presentando prestazioni stabili fino a 950 ore o più.

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