Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries

L'accumulo di energia è la spina dorsale silenziosa di un mondo moderno alimentato dal sole e dal vento. Quando il sole splende o il vento soffia, l'elettricità deve essere catturata e conservata per un uso successivo, un compito attualmente dominato dalle batterie agli ioni di litio. Sebbene queste batterie alimentino i nostri telefoni e le nostre auto, esse si affidano a materiali che sono costosi da estrarre e spesso coinvolgono liquidi infiammabili che possono prendere fuoco. Gli scienziati stanno quindi cercando alternative più sicure ed economiche che possano gestire la scala massiccia necessaria per alimentare intere città. Un candidato promettente è la batteria agli ioni di zinco acquosa. Questi dispositivi utilizzano liquidi a base d'acqua per spostare l'energia, rendendoli intrinsecamente più sicuri e costruiti con materiali abbondanti e a basso costo. Tuttavia, come un giovane albero che cresce troppo velocemente, lo zinco all'interno di queste batterie tende a formare punte affilate e simili ad aghi chiamate dendriti. Queste punte possono perforare la barriera tra i lati positivo e negativo della batteria, causando il guasto o il cortocircuito della batteria. Per far sì che queste batterie durino abbastanza a lungo da essere utili, i ricercatori devono trovare un modo per impedire a queste punte di crescere e mantenere intatta la struttura interna della batteria.

Un team di ricercatori dell'Università di Xinjiang e dell'Università di Tianjin ha sviluppato una nuova barriera, o separatore, progettato specificamente per risolvere questo problema. Invece di utilizzare plastiche sintetiche o fibre di vetro, si sono rivolti alla natura, creando un separatore interamente di cotone. Hanno combinato due forme di cellulosa, il componente strutturale principale delle pareti cellulari delle piante: polpa di cotone e cellulosa microfibrillata. La polpa di cotone fornisce fibre lunghe, su scala micron, mentre la cellulosa microfibrillata consiste in sottili filamenti su scala nano. Mescolando questi due materiali e filtrandoli attraverso il vuoto, i ricercatori hanno creato un tappeto denso e intrecciato. Questo tappeto presenta una struttura gerarchica, il che significa che possiede pori di diverse dimensioni che lavorano insieme. I pori più grandi permettono al liquido elettrolita di fluire rapidamente, mentre la fitta rete di minuscole fibre agisce come uno scudo resistente contro le crescenti punte di zinco.

I risultati di questo approccio sono stati misurati in laboratorio con una precisione impressionante. Il nuovo separatore a base di cotone si è dimostrato straordinariamente resistente, con una resistenza alla trazione di 23,36 megapascal, superando di gran lunga gli 0,2 megapascal dei separatori standard in fibra di vetro attualmente in uso. Questa resistenza è fondamentale perché impedisce al separatore di strapparsi durante l'assemblaggio della batteria o quando le punte di zinco tentano di spingere attraverso di esso. Il materiale ha anche assorbito efficacemente l'elettrolita liquido della batteria e ha permesso agli ioni di zinco di muoversi fluidamente attraverso di esso. Quando i ricercatori hanno testato la capacità della batteria di caricarsi e scaricarsi ripetutamente, la differenza è stata netta. Una batteria dotata del nuovo separatore di cotone è rimasta operativa per più di 1.200 ore a una corrente costante, mentre una batteria con il separatore standard in fibra di vetro è fallita dopo solo 400 ore. Anche in condizioni più impegnative, dove alla batteria veniva chiesto di immagazzinare una grande quantità di energia in uno spazio ridotto, il separatore di cotone ha permesso alla batteria di operare per oltre 200 ore senza guasti, mentre la versione in fibra di vetro è andata in cortocircuito in meno di 100 ore.

Osservando più da vicino le batterie dopo i test, è emerso il motivo per cui il separatore di cotone ha performato così bene. Nelle batterie con il separatore standard in fibra di vetro, lo zinco metallico è cresciuto in punte ruvide e irregolari che hanno danneggiato il separatore e creato una superficie disordinata. Al contrario, le batterie con il separatore di cotone mostravano uno strato di zinco liscio e piatto, indicando che il metallo si stava depositando uniformemente invece di formare pericolose punte. Il materiale di cotone ha anche aiutato a ridurre la formazione di sottoprodotti chimici indesiderati che possono ostruire la batteria. Quando i ricercatori hanno costruito una batteria completa utilizzando un materiale a base di vanadio per il lato positivo, il separatore di cotone ha aiutato la batteria a mantenere circa l'83 percento della sua capacità dopo 100 cicli, mentre il separatore standard ha permesso alla capacità di scendere solo al 17 percento. Anche dopo 1.200 cicli ad alta velocità, la batteria con il separatore di cotone manteneva ancora una capacità specifica di 92,4 milliampere-ora per grammo.

Questo lavoro suggerisce che un materiale semplice e biodegradabile fatto di cotone può superare le complesse alternative sintetiche nell'ambiente ostile di una batteria metallica. I ricercatori hanno scoperto che la combinazione di fibre lunghe e minuscole nanofibre ha creato una struttura che era allo stesso tempo abbastanza forte da bloccare le punte e abbastanza porosa da lasciare fluire l'energia. Sebbene il documento noti che è necessaria un'ulteriore ottimizzazione per la ricarica ad altissima velocità, i risultati offrono una chiara strada da seguire. Utilizzando una risorsa rinnovabile che è già abbondante ed economica, questo approccio fornisce un modo sostenibile per costruire batterie più sicure e durature per il futuro dell'accumulo di energia.