Le batterie ricaricabili zinco-aria potrebbero minacciare la dominanza delle batterie al litio

La ricerca in corso sulle batterie ricaricabili zinco-aria indica il potenziale di competere con le batterie al litio quale fonte di alimentazione di scelta per i dispositivi elettronici.

La ricerca attuale sulle batterie zinco-aria mira a trasformare questo tipo di batteria da non ricaricabili a ricaricabili. Per descrivere come funzionano le batterie ricaricabili zinco-aria, dobbiamo innanzitutto esaminare le loro controparti non ricaricabili esistenti, che sono batterie metallo-aria attivate ossidando lo zinco con l’ossigeno dall’aria.

Le dimensioni delle batterie non ricaricabili variano da un bottone molto piccolo per apparecchi acustici, ai tipi più grandi utilizzati nelle telecamere. Non è possibile utilizzare le batterie zinco-aria in un porta batteria sigillato perché è necessario l’ingresso dell’aria. Questa batteria richiede l’ossigeno in 1 litro di aria per ogni ampere per ora di capacità.

Durante lo scarico di una batteria zinco-aria non ricaricabile, una massa di particelle di zinco forma un anodo poroso, saturo di elettroliti. L’ossigeno dall’aria reagisce al catodo e forma ioni idrossilici che migrano nella pasta di zinco e formano zinco, rilasciando gli elettroni per recarsi al catodo. Lo zinco decade in ossido di zinco e acqua che ritorna all’elettrolito. L’acqua e l’idrossile dell’anodo vengono riciclati al catodo, quindi l’acqua non viene consumata. Queste reazioni producono un teorico 1,65 V, ma questo si riduce a 1,35-1,4 V nella pratica.

È nell’aria

Le batterie zinco-aria non ricaricabili hanno una maggiore densità di energia e un rapporto specifico di energia (e peso) rispetto ad altri tipi di batterie perché l’aria atmosferica è uno dei reagenti delle batterie. L’aria non è confezionata con la batteria; quindi, una cella può utilizzare più zinco nell’anodo che una cella che deve anche contenere, ad esempio, il biossido di manganese. Ciò aumenta la capacità di un determinato peso o volume. Come esempio specifico, una batteria zinco-aria da un produttore con un diametro di 11,6 mm e un’altezza di 5,4 mm ha una capacità di 620 mAh e pesa 1,9 g; Diverse celle di ossido d’argento e alcaline della stessa grandezza dispongono di una capacità da 150 a 200 mAh e pesano 2,3-2,4 g.

Queste celle zinco-aria hanno una lunga durata se sono sigillate per mantenere fuori l’aria. Anche le batterie a bottone in miniatura possono essere conservate fino a tre anni a temperatura ambiente con poca perdita di capacità se la loro guarnizione non viene rimossa. Le celle industriali memorizzate in uno stato asciutto hanno una durata di conservazione indefinita.

La durata operativa di una batterie zinco-aria è una funzione critica della sua interazione con l’ambiente. L’elettrolita perde acqua più rapidamente in condizioni di alta temperatura e bassa umidità. Poiché il suo elettrolito di idrossido di potassio è deliquescente, in condizioni molto umide l’acqua in eccesso si accumula nella cellula, inondando il catodo e distruggendo le sue proprietà attive. L’idrossido di potassio reagisce anche con l’anidride carbonica atmosferica; La formazione di carbonato riduce alla fine la conducibilità dell’elettrolito.

Poiché il catodo non modifica le proprietà durante lo scarico, la tensione del terminale è abbastanza stabile finché la cella non si avvicina all’esaurimento. La sua potenza è una funzione di:

  • Area catodica
  • Disponibilità dell’aria
  • Porosità
  • Valore catalitico della superficie del catodo

L’entrata dell’ossigeno nella cella deve essere equilibrata contro la perdita di acqua dell’elettrolito. Le membrane del catodo sono rivestite con teflon idrofobico per limitare la perdita di acqua. La bassa umidità aumenta la perdita di acqua; Se si perde abbastanza acqua la batteria non riesce. Le batterie a bottone hanno un scarico di corrente limitato. Ad esempio, una cella IEC PR44 ha una capacità di 600 mAh, ma una corrente massima di soli 22 mA. Le correnti di carico a impulso possono essere molto più elevate in quanto dell’ossigeno rimane nella cella tra gli impulsi.

Anche se la bassa temperatura riduce la capacità della cella primaria, l’effetto è piccolo per scariche basse. Una cella può erogare l’80% della sua capacità se scaricata per più di 300 ore a 0°C, ma solo il 20% della capacità se scaricata a 50 ore a quella temperatura. La temperatura più bassa riduce anche la tensione delle celle.

Le batterie zinco-aria non ricaricabili hanno alcune proprietà simili alle celle a combustibile e alle batterie: lo zinco è il carburante, la velocità di reazione può essere controllata variando il flusso d’aria e la pasta zincata/elettrolita ossidata può essere sostituita con pasta fresca.

A causa dell’abbondanza globale dello zinco, queste batterie sono molto più economiche da produrre rispetto alle batterie agli ioni di litio. Inoltre, possono contenere più energia (teoricamente cinque volte in più di quelle delle batterie agli ioni di litio) e sono molto più sicure e più rispettose dell’ambiente.

Dirigere la carica sui problemi di ricarica

L’uso diffuso delle batterie zinco-aria è stato ostacolato dal fatto che fino ad ora la ricarica è stata difficile. Ciò è dovuto alla mancanza di elettrocatalizzatori che riducono e generano con successo l’ossigeno durante la scarica e la carica di una batteria.

Un nuovo metodo a tre stadi per superare questo problema di ricarica è stato recentemente descritto in Advanced Material. L’articolo è stato scritto da ricercatori di ingegneria chimica dell’Università di Sydney (Australia) e di Nanyang Technological University (Singapore).

Secondo l’autore principale, il professor Yuan Chen, presso la Facoltà di Ingegneria e Tecnologie dell’Informazione di Sydney, il nuovo metodo può essere utilizzato per creare elettrocatalizzatori bifunzionali di ossigeno per costruire batterie ricaricabili zinco-aria da zero. La figura mostra un prototipo di una delle loro batterie ricaricabili zinco-aria.

“Fino ad ora le batterie ricaricabili di zinco-aria sono state fatte con i costosi catalizzatori di metalli preziosi, come il platino e l’ossido di iridio”, ha detto. “Al contrario, il nostro metodo produce una famiglia di nuovi catalizzatori a elevate prestazioni e a basso costo”.

Questi nuovi catalizzatori possono quindi essere applicati per la realizzazione di batterie ricaricabili zinco-aria. Sono prodotte attraverso il controllo simultaneo della loro:

  • Composizione
  • Dimensione
  • Cristallinità degli ossidi metallici di ferro, cobalto e nichel

Il dottor Li Wei, co-autore della ricerca, ha affermato che le prove delle batterie a zinco-aria sviluppate con i nuovi catalizzatori hanno dimostrato un’eccellente ricaricabilità, inclusa la caduta di efficienza della batteria inferiore al 10% su 60 cicli di caricamento e scaricamento di 120 ore.

“Stiamo risolvendo le sfide tecnologiche fondamentali per realizzare batterie metalliche più sostenibili per la nostra società”, ha aggiunto il professor Chen.

Le ricerche sulle batterie zinco-aria sono in corso presso l’Università di Waterloo in Canada. Il loro obiettivo di ricerca è lo sviluppo di nuovi catalizzatori bi-funzionali in grado di catalizzare sia la reazione di riduzione dell’ossigeno (scarica delle batterie) sia l’evoluzione dell’ossigeno (ricarica della batteria) per creare delle batterie ricaricabili zinco-aria praticabili. Inoltre, essi si concentrano sulla progettazione e sull’ottimizzazione delle prestazioni degli elettrodi di aria e di zinco e su di una solida membrana di elettrolita. Infine, il loro scopo è quello di combinare i componenti in varie forme di batterie ricaricabili zinco-aria, come le stazioni fisse, flessibili e le centrali di flusso.

Come la maggior parte dei progetti di ricerca emergono alcune domande:

  1. Le versioni ricaricabili presentano una densità di energia simile e una specifica energia (e peso) rispetto ai tipi non ricaricabili esistenti?
  2. Qual è l’effetto del cambiamento di temperatura su queste batterie ricaricabili?
  3. Quante volte queste batterie possono essere caricate e ricaricate e continuano a mantenere la tensione di uscita prevista?
  4. Producono una tensione di uscita inferiore, quindi come possono competere con gli ioni di litio?
  5. Come influisce l’umidità sulle prestazioni della batteria ricaricabile?
  6. Ci sono problemi di confezionamento del sistema elettronico perché queste batterie ricaricabili richiedono l’accesso all’aria?
  7. Il prototipo di progettazione prodotto dalla ricerca si presta alla produzione di batterie ricaricabili?
  8. Le batterie ricaricabili potranno alimentare i veicoli elettrici?

Articolo tradotto dall’originale presente a http://www.powerelectronics.com/alternative-energy/rechargeable-zinc-air-batteries-could-threaten-li-ion-s-dominance

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