Ricercatori della Stanford University hanno sviluppato una batteria zinco-aria migliore rispetto alle soluzioni realizzate fino a oggi. La batteria offre una "maggiore attività catalitica" e una resistenza nel tempo piuttosto simile a quella delle batterie realizzate con i costosi catalizzatori in platino e iridio. I risultati dello studio, pubblicati su Nature Communications, potrebbero portare allo sviluppo di un'alternativa a basso costo delle batterie agli ioni di litio, usate diffusamente nei dispositivi elettronici.
"C'è una domanda crescente di batterie ad alte prestazioni, poco costose e sicure per dispositivi portatili, veicoli elettrici e non solo", ha dichiarato Hongjie Dai, professore di chimica e principale autore dello studio. "Le batterie metallo-aria offrono una possibile soluzione a basso costo". Secondo Dai, grazie all'ampia disponibilità di ossigeno dall'atmosfera, le batterie metallo-aria hanno una densità energetica teorica drasticamente maggiore rispetto alle soluzioni agli ioni di litio. "Tra queste la batteria zinco-aria è tecnicamente ed economicamente l'opzione più percorribile". Le batterie zinco-aria combinano l'ossigeno con lo zinco in un liquido elettrolita alcalino per generare elettricità come sottoprodotto dell'ossido di zinco. Quando il processo viene invertito durante la ricarica, l'ossigeno e lo zinco vengono rigenerati.
Rappresentazione del funzionamento della batteria zinco-aria
"Le batterie zinco-aria sono interessanti per l'abbondanza e il basso costo di zinco, oltre per la natura non infiammabile degli elettroliti acquosi, i quali rendono le batterie inerentemente sicure", ha affermato Dai. "Batterie primarie zinco-aria non ricaricabili sono state commercializzate per applicazioni nel campo medico e delle telecomunicazioni con una densità energetica limitata. Rimane tuttavia una grande sfida realizzare batterie ricaricabili elettricamente, in quanto ci sono degli scogli da superare come l'assenza di catalizzatori ad aria robusti ed efficienti, così come un ciclo di vita degli elettrodi di zinco limitato".
Sono richieste elettrocatalisi attive e prolungate sull'elettrodo d'aria per catalizzare la reazione alla riduzione dell'ossigeno durante la scarica e il processo inverso durante la ricarica. Nelle batterie zinco-aria, entrambe le reazioni catalitiche sono lente, secondo Dai. Il suo gruppo di lavoro ha però sviluppato diversi elettrocatalizzatori ad alte prestazioni fatti con ossido di metallo non prezioso o nanocristalli ibridati con nanotubi di carbonio. Questi catalizzatori hanno prodotto un'attività catalitica e una durata superiori negli elettroliti alcalini rispetto ai catalizzatori a base di platino e altri metalli preziosi.
"Abbiamo riscontato che catalizzatori simili aumentano enormemente le prestazioni delle batterie ricaricabili zinco-aria", ha affermato Dai. "Una combinazione di un catalizzatore di ossido di cobalto e aria per la riduzione dell'ossigeno e di un catalizzatore di idrossido di nichel-ferro e aria per il processo inverso hanno portato a un record di efficienza per le batterie zinco-aria, con una densità energetica specifica più che doppia rispetto alla tecnologia agli ioni di litio". La nuova batteria ha anche dimostrato una buona reversibilità e stabilità nel corso di cicli di carica e scarica durati diverse settimane. "Questo lavoro potrebbe essere un passo importante verso lo sviluppo di batterie zinco-aria ricaricabili davvero utilizzabili, anche se devono ancora essere affrontate con successo altre sfide riguardanti l'elettrodo di zinco e l'elettrolita", ha concluso il ricercatore.