Batterie zinco-iodio, gli atomi di rame resistono per 50.000 cicli

Una cella acquosa zinco-iodio sperimentale ha conservato circa il 70% della capacità iniziale dopo 50.000 cicli completi di carica e scarica. Il risultato è stato ottenuto in laboratorio su celle di piccola scala, impiegando una struttura di carbonio dopata con azoto nella quale singoli atomi di rame controllano una reazione dello iodio altrimenti instabile nell'acqua.

La soluzione porta la reazione attraverso quattro elettroni e, nei test riportati, raggiunge una capacità specifica di circa 408 mAh g⁻¹ a 1 A g⁻¹. Aumentando la corrente a 10 A g⁻¹, la capacità iniziale si attesta invece intorno a 251 mAh g⁻¹.

Come il rame stabilizza lo iodio

L'elettrolita consente agli ioni di muoversi durante la carica e la scarica. Nella sequenza I⁻/I⁰/I⁺, però, la specie I⁺ tende a reagire con l'acqua e a decomporsi. Per limitare questo fenomeno è stato progettato un materiale di carbonio dopato con azoto che contiene atomi di rame isolati, indicati come siti attivi Cu-Nx.

L'interazione tra gli orbitali del rame e quelli dello iodio trattiene temporaneamente la specie I⁺. Secondo le informazioni disponibili, il legame risulta abbastanza forte da stabilizzarla, ma non tanto da impedire il completamento della reazione. Lo iodio può così rimanere stabile anche in un elettrolita povero di ioni cloruro.

L'approccio viene descritto come una combinazione di catalisi a singolo atomo e confinamento ionico locale. È una strada differente rispetto al confinamento fisico dello iodio in elettrodi flessibili o all'interno di matrici di idrogel.

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La reazione a quattro elettroni e i dati della cella

Portando la reazione a quattro elettroni, durante la scarica compare un plateau di tensione duale: due livelli stabili che indicano altrettante fasi distinte del processo. In queste condizioni è stata misurata la capacità specifica di circa 408 mAh g⁻¹ con una corrente di 1 A per grammo di materiale attivo.

Con una corrente di 10 A g⁻¹, corrispondente a una carica e scarica dieci volte più rapida rispetto alla prova precedente, la capacità iniziale riportata è di circa 251 mAh g⁻¹. La prova di durata ha quindi portato la cella a 50.000 cicli, al termine dei quali rimaneva circa il 70% della capacità iniziale.

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Dalla piccola cella a un sistema utilizzabile

I numeri descrivono un esperimento di laboratorio, non una batteria disponibile per le auto elettriche. Le prove sono state condotte su celle di piccola scala e non su pacchi batteria completi. Le batterie agli ioni di zinco restano inoltre in una fase pre-commerciale e sono orientate soprattutto verso lo stoccaggio stazionario.

Per valutare un'eventuale applicazione automobilistica sarebbero necessarie celle di formato maggiore, verifiche su pacchi completi e una produzione ripetibile su larga scala. Tra gli altri percorsi di ricerca citati figurano le batterie zinco-cloro e l'impiego di elettroliti più semplici nelle celle allo zinco.

Una domanda per voi

Quali verifiche ritenete decisive per valutare il passaggio delle celle zinco-iodio dai test di laboratorio a sistemi di maggiore scala? 50.000 cicli vi bastano ?