Batteria zinco-iodio, trovata la svolta per farla durare

E se bastasse un singolo atomo di rame per rendere una batteria più stabile e farla durare più a lungo? È l'idea alla base di un nuovo studio sulle batterie zinco-iodio, che sfrutta una struttura speciale a base di carbonio per controllare una reazione chimica difficile da gestire in acqua.

Il segreto è un elettrolita, cioè il materiale che permette agli ioni di spostarsi all'interno della batteria durante la carica e la scarica. Grazie a una nuova formulazione, i ricercatori sono riusciti a sfruttare lo iodio in modo diverso dal solito, facendo passare quattro elettroni invece di due.

Il risultato? Una cella sperimentale che ha mantenuto prestazioni stabili per 50.000 cicli di carica e scarica in laboratorio, un traguardo notevole per questa tecnologia. Attenzione, però: si tratta di un risultato di ricerca, non di una batteria già pronta per le auto elettriche.

Batterie acquose zinco-iodio: come funziona il nuovo elettrolita

Nella sequenza I⁻/I⁰/I⁺ lo iodio nella forma I⁺ reagisce con l'acqua dell'elettrolita e si decompone. Per fermare questa perdita il team ha progettato un materiale di carbonio dopato con azoto che contiene atomi singoli di rame, separati tra loro nella stessa struttura.

Questi siti attivi, indicati come Cu-Nx, si comportano come minuscole "morse" chimiche. Il legame fra gli orbitali del rame e quelli dello iodio è abbastanza saldo da trattenere la specie reattiva I⁺ il tempo necessario perché completi la reazione, ma non così forte da bloccarla. Così lo iodio resta stabile anche con un elettrolita povero di ioni cloruro, che di solito servono a stabilizzarlo.

Atomi singoli di rame in una struttura di carbonio stabilizzano lo iodio, evitando che reagisca con l'acqua.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

Gli autori indicano questo approccio come un modo guidato dal progetto per usare la catalisi a atomo singolo e un confinamento ionico molto locale, così da ottenere una chimica dello iodio ad alta tensione e lunga durata. Si tratta di una strada diversa rispetto ad altri tentativi su celle zinco-iodio acquose, che puntano a confinare fisicamente lo iodio in elettrodi flessibili o a intrappolarlo dentro una matrice di idrogel.

Reazione redox a quattro elettroni: capacità e cicli dichiarati

Quando la reazione viene spinta a quattro elettroni, nella cella compare un plateau di tensione duale, cioè due livelli di tensione stabili durante la scarica. È il segno che il processo avanza in due tappe distinte. In queste condizioni la capacità specifica misurata arriva a circa 408 mAh g⁻¹ con una corrente di 1 A per grammo di materiale attivo.

Aumentando la corrente a 10 A g⁻¹, quindi con una carica e scarica dieci volte più veloce, la capacità iniziale resta intorno a 251 mAh g⁻¹. Per una chimica che lavora a questo ritmo il calo è contenuto. Dopo 50.000 cicli completi di carica e scarica la cella conserva circa il 70% della capacità iniziale, con un decadimento medio molto basso a ogni ciclo.

Si tratta però di dati da laboratorio, ottenuti su celle di piccola scala e non su un pacco batteria pronto per un veicolo. Oggi le batterie agli ioni di zinco come alternativa al litio restano in fase pre-commerciale e guardano soprattutto allo stoccaggio stazionario, cioè ai sistemi di accumulo fissi e non alle batterie per auto.

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