Oamenii de stiinta condusi de un cercetator de la Universitatea de Stat din Oregon au dezvoltat un nou electrolit care creste pana la aproape 100% eficienta anodului metalic de zinc din bateriile cu zinc, un progres in drumul catre gasirea unei alternative la bateriile litiu-ion, pentru stocarea energiei la scara larga.

Cercetarea face parte dintr-un demers global continuu, ce are ca scop gasirea unor noi baterii chimice capabile sa stocheze energie solara si eoliana regenerabila in reteaua electrica, care sa fie utilizata atunci cand soarele nu straluceste si cand vantul nu bate.
Xiulei „David” Ji de la OSU College of Science si o colaborare din care au facut parte si HP Inc. si Grotthuss Inc., o companie spinout din statul Oregon, si-au publicat constatarile si descoperirile in Nature Sustainability.
„Descoperirea reprezinta un progres semnificativ in demersul de a face bateriile zinc metal mai accesibile consumatorilor”, a spus Ji. „Aceste baterii sunt esentiale pentru instalarea unor ferme solare si eoliene auxiliare. In plus, ele ofera o solutie sigura si eficienta pentru stocarea energiei casnice, precum si pentru module de stocare a energiei pentru comunitatile vulnerabile la dezastre naturale”, a adaugat el.
O baterie stocheaza electricitatea sub forma de energie chimica si o transforma, prin reactii, in energie electrica. Exista multe tipuri diferite de baterii, insa majoritatea acestora functioneaza in acelasi mod de baza si contin aceleasi componente de baza.
Fiecare baterie are doi electrozi – anodul, din care electronii ajung intr-un circuit extern, si catodul, care primeste electroni din circuitul extern – si un electrolit, mediul chimic care separa electrozii si permite fluxul de ioni intre ei.

Bazandu-se pe un metal sigur si abundent, bateriile pe baza de zinc sunt dense din punct de vedere energetic si sunt considerate o alternativa posibila la bateriile litiu-ion pentru stocarea energiei in retea. Bateriile litiu-ion sunt utilizate astazi la scara larga, iar productia lor se bazeaza pe rezervele din ce in ce mai reduse de metale rare, cum ar fi cobaltul si nichelul. In plus, cobaltul si nichelul sunt toxice si pot contamina ecosistemele si sursele de apa.
In plus, electrolitii din bateriile litiu-ion sunt dizolvati in general in solventi organici inflamabili, care se descompun adesea la tensiuni de functionare ridicate. O alta problema de siguranta a acestor baterii este reprezentata de dendrite, care seamana cu niste mici copaci ce cresc in interiorul unei baterii. Ele pot strapunge separatorul precum ciulinii care cresc prin crapaturile unei alei, ducand la reactii chimice nedorite si uneori nesigure.
„Bateriile zinc metal reprezinta una dintre cele mai importante tehnologii candidate pentru stocarea energiei la scara larga”, a spus Ji. “Noul nostru electrolit hibrid foloseste apa si un solvent obisnuit pentru baterii, care este neinflamabil, rentabil si cu impact redus asupra mediului. Electrolitul este format dintr-un amestec dizolvat de saruri de clor ieftine, principala dintre acestea fiind clorura de zinc”, a explicat Ji.

Costul electricitatii livrate de o instalatie de stocare constand din baterii cu zinc poate fi competitiv cu energia electrica produsa din combustibili fosili doar daca bateria are o durata de viata de cateva mii de cicluri, a spus Ji. Pana in prezent, insa, durata de viata este limitata de performanta slaba de reversibilitate a anodului de zinc.
Ji a mai explicat ca, in timpul incarcarii, cationii de zinc din electrolit castiga electroni si sunt placati pe suprafata anodului. In timpul descarcarii, anodul cedeaza electroni pentru sarcina de lucru, fiind dizolvat in electrolit.
„Acest proces de zincare si dizolvare este adesea extrem de ireversibil”, a spus Ji. „Ceea ce inseamna ca unii electroni utilizati in placare nu pot fi recuperati in timpul descarcarii. Aceasta este o problema ce tine de o zona cunoscuta drept eficienta coulombica”.
Eficienta coulombica, sau CE, se refera la cat de bine sunt transferati electronii in baterii, raportul dintre sarcina totala extrasa din baterie si sarcina introdusa intr-un ciclu complet. Bateriile litiu-ion pot avea o CE de peste 99%.
Noul electrolit dezvoltat de Ji si colaboratorii sai, printre care si oameni de stiinta de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, Penn State si Universitatea din California, Riverside, a permis o CE de 99,95%.
„Principala provocare in cazul bateriilor cu zinc este aceea ca zincul reactioneaza cu apa din electrolit pentru a genera hidrogen gazos in ceea ce se numeste o reactie de evolutie a hidrogenului”, a spus Ji. „Aceasta reactie parazitara provoaca un ciclu de viata scurt si reprezinta, de asemenea, un risc potential pentru siguranta”.

Cu toate acestea, noul electrolit limiteaza reactivitatea apei si aproape opreste reactia de evolutie a hidrogenului prin formarea unui „strat de pasivare” pe suprafata anodului. Un strat de pasivare similar este si cel care a permis comercializarea initiala a bateriilor litiu-ion in anii 1990.
Ji il crediteaza pe colegul chimist de la OSU, Chong Fang, pentru descoperirea structurii atomice a electrolitului prin utilizarea spectroscopiei Raman in femtosecunda si pe Alex Greaney de la UC Riverside pentru stabilirea mecanismului de pasivare.
„De asemenea, trebuie sa remarcam faptul ca eficienta pe care am masurat-o este in conditii dure, care nu mascheaza nicio deteriorare cauzata de reactia de evolutie a hidrogenului”, a adaugat Ji. „Descoperirea aceasta anunta comercializarea in viitorul apropiat a bateriilor zinc metal pentru stocarea in retea la scara larga”.

Sursa: https://techxplore.com/news/2023-03-electrolyte-enables-high-efficiency-safe.html