Perché le batterie allo zinco si rovinano (e come evitarlo)

La corrosione è uno dei talloni d’Achille delle batterie allo zinco acquose, soprattutto quando la cella resta ferma carica o viene stressata da cicli rapidi. Una parte consistente della ricerca recente mostra che il modo in cui l’elettrolita gestisce l’acqua intorno agli ioni di zinco può fare la differenza fra una cella che si degrada in fretta e una che regge migliaia di cicli.

Negli ultimi anni diversi gruppi accademici, fra cui l’Università della California, Los Angeles, hanno esplorato elettroliti e architetture di elettrodo alternativi per mitigare corrosione e crescita di dendriti.

Gli esperimenti indicano che la chiave non è tanto una singola formula “miracolosa”, quanto il controllo fine della solvatazione, cioè di come le molecole di acqua e gli ioni di sale organizzano l’interfaccia tra elettrolita e zinco metallico.

Batterie allo zinco acquose e ruolo dell’elettrolita

La maggior parte delle batterie zinco-ione acquose usa un anodo di zinco metallico immerso in un elettrolita salino a base d’acqua, spesso leggermente acido. In queste condizioni lo zinco tende a corrodersi spontaneamente, producendo idrogeno gassoso e superfici irregolari che favoriscono la crescita di dendriti, ovvero filamenti metallici che possono cortocircuitare la cella e distruggerla prematuramente.

Degrado in batteria a zinco-ione: corrosione, idrogeno e dendriti che provocano un cortocircuito.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Finora molte strategie hanno provato a domare il problema con additivi, rivestimenti o strutture di anodo complesse. In letteratura sono frequenti approcci che aumentano la concentrazione del sale o modificano la struttura di solvatazione con additivi specifici, proprio per limitare l’attività dell’acqua “libera” e quindi la corrosione. Alcuni studi più recenti propongono anche configurazioni di elettrolita a concentrazioni intermedie, progettate per cambiare il modo in cui le molecole di acqua circondano gli ioni Zn²⁺ e quindi l’interfaccia con l’anodo.

In questi casi i test in laboratorio mostrano una riduzione della perdita di capacità durante l’invecchiamento a riposo e una maggiore regolarità dei depositi di zinco durante la carica. Le prestazioni dipendono però dalla combinazione completa di elettrolita, elettrodi e condizioni di prova, non da un singolo parametro di concentrazione.

Come l’elettrolita influenza corrosione e dendriti

Il segreto sembra essere nel modo in cui l'acqua si dispone attorno agli ioni di zinco all'interno dell'elettrolita. Non conta solo l'acqua "libera", ma anche quella che resta legata agli ioni: è proprio questa che può favorire le reazioni chimiche responsabili della corrosione dello zinco e della formazione di idrogeno sull'anodo.

Modificando la composizione dell'elettrolita, ad esempio con sali più concentrati o particolari additivi, i ricercatori riescono a cambiare questo equilibrio. Il risultato è un'interfaccia tra elettrolita e zinco molto più stabile: la superficie dell'anodo rimane più uniforme, si formano meno dendriti – i sottili filamenti metallici che possono causare cortocircuiti – e diminuiscono anche i punti in cui la corrosione può iniziare.

L'elettrolita stabilizza lo zinco, riducendo corrosione, idrogeno e dendriti.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Meccanismi simili erano già stati osservati in altre architetture acquose, come alcune soluzioni contro le dendriti nelle celle a stato solido, e vengono ora tradotti in sistemi interamente liquidi.

• minor numero di siti attivi per la dissoluzione dello zinco;
• riduzione della formazione di bolle di idrogeno all’anodo;
• crescita più uniforme dei depositi di zinco durante la carica;
• stress meccanico inferiore sull’elettrodo nei cicli ripetuti.

Quando una batteria acquosa allo zinco viene lasciata carica per ore o giorni, un elettrolita non ottimizzato continua a “lavorare” contro l’anodo, consumandolo lentamente. Con formulazioni studiate per gestire meglio la solvatazione degli ioni, la chimica dell’interfaccia risulta più stabile anche a riposo, un aspetto decisivo per sistemi che devono restare in stand-by lunghi, come gli accumuli di rete o alcuni veicoli elettrici leggeri poco utilizzati.

Perché conta il controllo della solvatazione

L’insieme dei risultati pubblicati negli ultimi anni indica che, con un controllo mirato dell’elettrolita, le batterie allo zinco possono avvicinarsi agli obiettivi di durata richiesti per applicazioni reali. Chi sviluppa sistemi di accumulo guarda soprattutto a chimiche come LFP, cioè litio-ferro-fosfato, o allo stato solido, come mostrano i progetti su batterie a stato solido per allungare la vita utile, ma soluzioni acquose allo zinco offrono vantaggi potenziali in termini di sicurezza e costo dei materiali.

Se queste batterie venissero utilizzate, ad esempio, per immagazzinare energia a supporto di una flotta di veicoli elettrici, una corrosione più lenta significherebbe perdere meno prestazioni quando restano ferme per ore o giorni, come durante la notte o nel fine settimana. In pratica, la batteria manterrebbe più a lungo la stessa capacità di accumulare energia, riducendo anche gli interventi di manutenzione. Gli stessi principi potrebbero essere applicati in futuro anche ad altre tecnologie di accumulo, rendendole più affidabili e durature.

Per ora questi risultati sono stati ottenuti solo su celle di laboratorio, ma indicano una strada promettente. I ricercatori stanno sperimentando diverse combinazioni di sali e additivi per modificare il comportamento dell'elettrolita e rallentare la corrosione fin dalla sua origine, invece di limitarne gli effetti con semplici rivestimenti protettivi.

Il prossimo passo sarà verificare se questa strategia funziona anche su batterie di dimensioni maggiori e in condizioni d'uso reali, comprese le ricariche rapide richieste dai sistemi di accumulo e dalla mobilità elettrica.

Leggi anche

Ecco perché l'aria fa male alle batterie agli ioni di litio

La guerra delle batterie passa anche dalle miniere di grafite