L'acido tartarico come nuovo additivo per avvicinarsi allo sballo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13301 (2022) Citare questo articolo

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Tra le batterie ricaricabili, le batterie acquose agli ioni di zinco (ZIB), grazie alla loro sicurezza, basso costo, eco-compatibilità e semplicità costruttiva, hanno ricevuto molta attenzione. Una delle parti più critiche della tecnologia delle batterie sono gli additivi elettrolitici, che sono stati meno studiati rispetto ai loro ruoli essenziali. Per sviluppare la qualità di queste batterie, sono essenziali parametri specifici quali aspetti economici, progettazione semplice, durata significativa, scarica elettrica elevata, velocità di carica/scarica rapida, densità di potenza/energia accettabile ed efficienza del ciclo accettabile. In questo rapporto, ci si concentra sulla soluzione acquosa di alcuni acidi organici cristallini bianchi come nuovi additivi elettrolitici come gli acidi succinico, tartarico, citrico, maleico e/o acetico come agenti di riduzione della sovratensione della batteria per modificare le prestazioni elettriche degli ZIB . Ad esempio, caratteristiche significative dell'acido tartarico come additivo elettrolitico appositamente selezionato per gli ZIB, mostrano un'eccellente capacità fino a 374 mAh g−1 con capacità di velocità accettabile e ritenzione di alta capacità fino al 91,0% dopo 7200 cicli. Per indagare il comportamento della batteria e proporre il probabile meccanismo alla base di questo fenomeno, vengono utilizzati alcuni metodi analitici.

Le fonti energetiche non rinnovabili come il petrolio fossile, il gas naturale e il carbone stanno gradualmente diminuendo1. Inoltre, l’inquinamento ambientale sta diventando così grave che gli esseri umani dovrebbero intraprendere nuove strade per sviluppare fonti energetiche rinnovabili e rispettose dell’ambiente1. In queste condizioni sono presenti numerose tecnologie di batterie ricaricabili come le tradizionali batterie al piombo (basate su reazioni di conversione) e le batterie agli ioni di litio (secondo diversi processi, in particolare l'intercalazione)2. I limiti intrinseci di questi sistemi ne impediscono le applicazioni per lo stoccaggio di energia su larga scala, densità di energia limitata, scarsa efficienza di carica/scarica, autoscarica, scarsa efficienza coulombiana e pericolo ambientale3,4,5.

Negli ultimi anni sono state inventate una serie di "Batterie Acquose Ricaricabili" (ARB)6. Questi ARB funzionano in base all'intercalazione/immagazzinamento elettrochimico strato per strato di alcune specie ioniche come Na+, K+, Mg2+ e Zn2+ dall'elettrolita acquoso sulla struttura dell'elettrodo6,7,8,9. Queste batterie sono state considerate una fonte di energia promettente, grazie alla loro sicurezza intrinseca, maggiore conduttività ionica, abbondanza di materiali e rispetto per l'ambiente6,7,8,9. Tra gli ARB, le batterie agli ioni di zinco (ARZIB) hanno dimostrato di essere i sistemi di accumulo di energia più ecologici, poiché utilizzano lo zinco come anodo. Le batterie agli ioni di zinco hanno ricevuto un vasto interesse in base alle caratteristiche multivalenti ampiamente disponibili sulla crosta terrestre, all'elettrolita acquoso non tossico e a basso costo, alla sicurezza e al lungo ciclo di vita10,11,12. Molti composti con strutture di tipo tunnel e di tipo stratificato consentono l'inserimento/estrazione degli ioni Zn2+ nei/dai loro ospiti a causa dei piccoli raggi ionici dello Zn2+ (0,74 Å)13. In questi sistemi, il gruppo di "Feiyu Kang" ha mostrato per la prima volta l'inserimento reversibile di ioni Zn nella struttura a tunnel dell'ospite MnO2 di tipo α, adottato come catodo in uno ZIB14.

L'MnO2 è stato ampiamente studiato come materiale per elettrodi per applicazioni sia nei supercondensatori che nelle batterie, grazie alla sua abbondante disponibilità, al basso costo e al rispetto dell'ambiente15. Questo composto possiede diverse forme cristallografiche differenti, come α, β, γ, δ, λ e tipo ramsdellite15, 16.

Va considerato che la ZIB acquosa presenta importanti sfide di implementazione. Queste prove consistono principalmente in i) bassa stabilità chimica ed elettrochimica dell'elettrolita e ii) formazione di dendriti di zinco durante il ciclo, la corrosione, la passivazione e la "reazione di evoluzione dell'idrogeno" (HER). Ciò si riflette principalmente nelle finestre di tensione, nella capacità e nella stabilità limitate degli ZIB. Queste sfide sono anche considerate come i fattori principali, limitati alla densità energetica, alla riciclabilità della batteria e alla decomposizione degli elettroliti, che possono causare pericolo di deformazione e rigonfiamento della batteria.17,18,19.