Nuova batteria allo zinco supera 10.000 ricariche: conserva quasi il 90% della capacità
Una batteria capace di superare 10.000 cicli di carica e scarica conservando quasi il 90% della capacità iniziale potrebbe cambiare il modo in cui immaginiamo l’accumulo di energia. È il risultato raggiunto da un gruppo di ricercatori cinesi che ha modificato la struttura di un elettrodo nelle batterie acquose allo zinco-iodio. La nuova soluzione ha mantenuto l’89,34% della capacità dopo oltre 10.000 cicli, equivalenti a più di 3.500 ore di funzionamento nei test riportati.
Lo studio è stato condotto da scienziati della Jilin University e del Changchun Institute of Applied Chemistry e pubblicato sulla rivista Science China Chemistry. La ricerca punta a risolvere un problema che limita queste batterie: la perdita progressiva di efficienza causata dalle reazioni chimiche dell’iodio. Ma c’è un dettaglio da non sottovalutare: i risultati migliori arrivano da celle sperimentali di laboratorio, non da batterie già pronte per smartphone o automobili.
Come funziona la nuova batteria allo zinco-iodio
Le batterie acquose allo zinco utilizzano un elettrolita a base d’acqua, a differenza di molte batterie agli ioni di litio che impiegano solventi organici. Questa caratteristica rende interessante la tecnologia per lo sviluppo di sistemi di accumulo potenzialmente più sicuri ed economici, soprattutto grazie alla disponibilità dello zinco.
Il progetto cinese utilizza un catodo contenente iodio, un materiale capace di partecipare alle reazioni che permettono di immagazzinare e restituire energia. Il problema è che durante la ricarica le specie chimiche dell’iodio possono spostarsi nell’elettrolita invece di rimanere dove dovrebbero.
Questo fenomeno è chiamato effetto shuttle. Provoca perdite di efficienza, accelera il deterioramento dei materiali e riduce la durata della batteria. Inoltre, l’iodio conduce male l’elettricità e può subire cambiamenti strutturali durante i cicli di utilizzo.
Il segreto sono i nanotubi di carbonio modificati
Per contrastare questi problemi, i ricercatori hanno sviluppato catodi autoportanti basati su nanotubi di carbonio, indicati con la sigla SSCC. Hanno poi modificato chimicamente la superficie dei nanotubi per capire quali gruppi funzionali riuscissero a trattenere meglio lo iodio.
Le prove hanno confrontato nanotubi con gruppi ossidrile (–OH), carbossile (–COOH) e amminici (–NH₂). La soluzione più efficace è risultata quella con gruppi ossidrile, capaci di comportarsi come piccoli punti di ancoraggio per le specie chimiche dell’iodio.
In questo modo lo iodio rimane più stabile all’interno del catodo e può partecipare ripetutamente alle reazioni di carica e scarica. Limitare il suo spostamento nell’elettrolita significa ridurre le perdite e preservare più a lungo le prestazioni. Le analisi spettroscopiche e microscopiche hanno confermato il comportamento dei materiali modificati.
10.000 cicli e quasi il 90% di capacità residua
Il dato principale arriva da una cella sperimentale che, a una densità di corrente di 1 A/g, ha raggiunto una capacità reversibile iniziale di 175,5 mAh/g. Dopo oltre 10.000 cicli, la capacità residua era ancora pari all’89,34% di quella iniziale.
Si tratta di un risultato importante perché dimostra che la modifica del catodo può contrastare uno dei principali meccanismi di degrado della chimica zinco-iodio. La stabilità è stata osservata per più di 3.500 ore di funzionamento.
In condizioni di prova differenti, con una densità di corrente più elevata di 10 A/g, i ricercatori hanno registrato una capacità di 120 mAh/g e una durata di 93.400 cicli. Le due cifre non vanno però messe sullo stesso piano: sono state ottenute con parametri di test diversi, che influenzano le prestazioni misurate.
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Il prototipo più grande racconta una storia diversa
Per verificare se la tecnologia potesse funzionare oltre le piccole celle da laboratorio, il gruppo ha costruito una batteria flessibile in formato pouch contenente 150 milligrammi di iodio. Il prototipo ha operato a 1,1 volt, con una capacità effettiva di 23,8 mAh.
Dopo 350 cicli di carica e scarica, la cella più grande ha mantenuto il 91,7% della capacità iniziale. È un segnale promettente, ma mostra anche la distanza tra un risultato ottenuto su campioni sperimentali e quello necessario per costruire batterie di grandi dimensioni.
Non è corretto affermare che una batteria per automobile o smartphone possa già sopportare 10.000 ricariche grazie a questa scoperta. Il prototipo più realistico ha una capacità molto ridotta e richiederà ulteriori sviluppi per aumentare la quantità di energia immagazzinabile.
Potrebbe sostituire le batterie al litio?
Le batterie allo zinco attirano interesse perché lo zinco è relativamente abbondante e le configurazioni acquose possono ridurre alcuni rischi associati agli elettroliti organici infiammabili. Questo le rende candidate interessanti soprattutto per l’accumulo stazionario di energia, ad esempio per conservare l’elettricità prodotta da impianti fotovoltaici ed eolici.
Ma sostituire le batterie agli ioni di litio negli smartphone o nei veicoli elettrici è una sfida diversa. In queste applicazioni contano moltissimo densità energetica, peso, volume, potenza disponibile e durata in condizioni reali. Un dispositivo che resiste a molti cicli non è necessariamente quello che offre la maggiore autonomia.
Le ricerche sulle batterie acquose allo zinco evidenziano ancora difficoltà nella stabilità degli elettrodi, nelle reazioni indesiderate e nel passaggio a celle di dimensioni commerciali. Il nuovo studio migliora un aspetto specifico, ma non risolve automaticamente tutti gli ostacoli industriali.
Quando arriveranno sul mercato le batterie da 10.000 cicli?
Al momento non è stata annunciata una data di commercializzazione per questa specifica tecnologia. I ricercatori dovranno dimostrare che le prestazioni rimangono competitive in celle più grandi, con quantità realistiche di materiali attivi e condizioni di utilizzo prolungate.
Sarà inoltre necessario valutare costi di produzione, sicurezza, comportamento alle diverse temperature e capacità di mantenere energia anche durante lunghi periodi di inattività. Sono verifiche fondamentali per trasformare una scoperta scientifica in un prodotto affidabile.
La prospettiva resta interessante: un catodo capace di trattenere meglio lo iodio potrebbe contribuire alla realizzazione di batterie allo zinco più longeve. Ma il vero salto arriverà quando i risultati da migliaia di cicli saranno confermati anche in batterie di capacità utile, pronte a lavorare per anni fuori dal laboratorio.
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