Molecular capping arrests Ostwald ripening of interfacial zinc hydroxide sulfate for reversible zinc electrochemistry
Questo studio dimostra che l'agente di capping molecolare N-etil-2-pirrolidone (NEP) sopprime la maturazione di Ostwald dell'idrossido di solfato di zinco interfacciale regolando l'invecchiamento post-nucleazione e ricostruendo l'ambiente di solvatazione, creando così un'interfase organico-inorganica stabile che consente un'elettrochimica dello zinco altamente reversibile e duratura.
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Le batterie che immagazzinano energia nell'acqua rappresentano una strada promettente verso uno stoccaggio di energia più sicuro ed economico. A differenza dei liquidi infiammabili presenti nella maggior parte di telefoni e auto, le batterie a base acquosa utilizzano un elettrolita che non può prendere fuoco. Lo zinco, un metallo comune presente nelle batterie, è abbondante e può trattenere molta energia. Tuttavia, quando lo zinco viene utilizzato in acqua, affronta un problema persistente: il metallo non sempre si deposita nuovamente in modo fluido dopo essere stato utilizzato. Inveve, tende a crescere in punte affilate, simili ad aghi, chiamate dendriti. Queste punte possono perforare il separatore interno della batteria, causandone il guasto. Inoltre, le reazioni chimiche sulla superficie del metallo creano spesso una crosta di minerali indesiderati che blocca il flusso di elettricità. Per anni, gli scienziati hanno cercato di impedire la formazione di questi minerali o di costruire barriere per tenerli lontani. Ma un nuovo approccio suggerisce che cercare di prevenire la comparsa di questi minerali non sia l'unico modo per risolvere il problema.
I ricercatori hanno scoperto che il vero problema non è solo la formazione di queste croste minerali, ma come esse cambiano nel tempo. In una batteria allo zinco a base acquosa, una sostanza chiamata solfato di idrossido di zinco si forma naturalmente sotto forma di minuscoli cristalli microscopici sulla superficie del metallo. Inizialmente, questi cristalli sono piccoli e innocui. Tuttavia, man mano che la batteria cicla, un processo naturale fa sì che i cristalli più piccoli si dissolvano e il materiale disciolto si riattacchi ai cristalli più grandi. Ciò rende i cristalli grandi ancora più grandi, mentre quelli piccoli scompaiono, un fenomeno noto come maturazione di Ostwald. Alla fine, questi cristalli in crescita si fondono in blocchi spessi e isolanti che impediscono alla batteria di funzionare. Il nuovo studio, guidato da ricercatori dell'University College London e della Central South University, mostra che questo processo di coalescenza può essere fermato aggiungendo una specifica molecola all'acqua della batteria.
Il team ha introdotto una molecola chiamata N-etil-2-pirrolidone, o NEP, nell'elettrolita. Invece di cercare di impedire la formazione dei minuscoli cristalli di zinco fin dall'inizio, i ricercatori hanno scoperto che l'NEP agisce come un rivestimento protettivo che blocca i cristali nel loro stato piccolo e utile. Quando i minuscoli cristalli iniziano a formarsi, le molecole di NEP si attaccano immediatamente alle loro superfici. Questo strato di molecole allontana l'acqua che normalmente aiuterebbe a dissolvere il cristallo e ad alimentare quelli più grandi. Bloccando questa acqua, l'NEP impedisce ai piccoli cristalli di dissolversi e impedisce al materiale di migrare per far crescere i cristalli grandi. Il risultato è che i depositi minerali rimangono come uno strato fine e stabile di particelle su scala nanometrica invece di trasformarsi nel fango denso e ostruente che di solito rovina la batteria.
Questo rivestimento molecolare non si limita a impedire la crescita dei cristalli; cambia anche l'ambiente intorno allo zinco metallico stesso. Le molecole di NEP si radunano sulla superficie e riorganizzano il modo in cui gli ioni zinco sono circondati da acqua e altre sostanze chimiche. Questo cambiamento rende più difficile la decomposizione dell'acqua e la creazione di idrogeno gassoso, una reazione collaterale spreco che danneggia la batteria. Favorisce inoltre il deposito dello zinco sulla superficie sotto forma di un foglio piatto e liscio, piuttosto che in punte irregolari. Le molecole di NEP si degradano leggermente durante il funzionamento della batteria per formare uno strato organico flessibile e ricco di azoto. Questo strato agisce come un'impalcatura, mantenendo in posizione i minuscoli cristalli minerali stabilizzati e creando un'interfaccia ibrida che permette agli ioni di passare liberamente pur mantenendo la superficie del metallo protetta.
L'impatto di questa semplice aggiunta è stato drammatico. Nei test, le batterie che utilizzavano l'elettrolita trattato con NEP potevano essere caricate e scaricate per oltre 3.100 volte con un'efficienza quasi perfetta, mentre le batterie standard fallivano molto prima. Quando i ricercatori hanno testato la batteria in condizioni estreme, forzandola a caricarsi e scaricarsi molto rapidamente, la versione con NEP è durata oltre 800 ore senza guasti. In una configurazione di batteria completa con un catodo di iodio, il sistema è stato in grado di eseguire 7.500 cicli a una velocità molto elevata. La superficie dello zinco metallico in queste batterie è rimasta straordinariamente liscia, con una rugosità sei volte inferiore rispetto alle batterie senza l'additivo. Lo studio dimostra che, invece di combattere l'inevitabile formazione di sottoprodotti minerali, gli scienziati possono gestirne la crescita. Arrestando il naturale processo di coalescenza, un sottoprodotto indesiderato può essere trasformato in una parte funzionale della batteria che aiuta a farla durare più a lungo e a farla funzionare meglio.
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