Roberto Caccia
La sfida della corrosione nelle batterie allo zinco acquose
Le batterie allo zinco acquose sono una tecnologia emergente nel campo dell’energia rinnovabile. Tuttavia, uno dei loro principali problemi è la corrosione, che si verifica soprattutto quando la cella rimane carica per un periodo prolungato o viene sottoposta a cicli di carica e scarica rapidi. La ricerca recente ha evidenziato che la gestione dell’acqua intorno agli ioni di zinco da parte dell’elettrolita può fare la differenza tra una cella che si degrada rapidamente e una che resiste a migliaia di cicli.
Gruppi di ricerca di diverse università, tra cui l’Università della California, Los Angeles, hanno studiato elettroliti e architetture di elettrodo alternative per mitigare la corrosione e la crescita di dendriti. Questi studi suggeriscono che la chiave non risiede in una singola formula “miracolosa”, ma piuttosto nel controllo preciso della solvatazione, ovvero del modo in cui le molecole di acqua e gli ioni di sale organizzano l’interfaccia tra elettrolita e zinco metallico.
Il ruolo dell’elettrolita nelle batterie allo zinco acquose
La maggior parte delle batterie zinco-ione acquose utilizza 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, filamenti metallici che possono cortocircuitare la cella e distruggerla prematuramente.
Per affrontare questo problema, sono state adottate diverse strategie, come l’uso di additivi, rivestimenti o strutture di anodo complesse. Alcuni studi 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 hanno mostrato una riduzione della perdita di capacità durante l’invecchiamento a riposo e una maggiore regolarità dei depositi di zinco durante la carica. Tuttavia, le prestazioni dipendono dalla combinazione completa di elettrolita, elettrodi e condizioni di prova, non da un singolo parametro di concentrazione.
L’influenza dell’elettrolita sulla corrosione e la formazione di dendriti
Il segreto sembra risiedere nel modo in cui l’acqua si dispone attorno agli ioni di zinco all’interno dell’elettrolita. Non è solo l’acqua “libera” a contare, ma anche quella che rimane 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 additivi specifici, 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 e diminuiscono anche i punti in cui la corrosione può iniziare.
Questi meccanismi sono stati osservati anche in altre architetture acquose, come alcune soluzioni contro le dendriti nelle celle a stato solido, e ora vengono applicati a sistemi interamente liquidi. I benefici includono un minor numero di siti attivi per la dissoluzione dello zinco, una riduzione della formazione di bolle di idrogeno all’anodo, una crescita più uniforme dei depositi di zinco durante la carica e uno 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.
L’importanza del controllo della solvatazione
I risultati pubblicati negli ultimi anni indicano che, con un controllo mirato dell’elettrolita, le batterie allo zinco possono avvicinarsi agli obiettivi di durata richiesti per applicazioni reali. Sebbene la maggior parte dei produttori di sistemi di accumulo si concentri su chimiche come LFP (litio-ferro-fosfato) o su batterie allo stato solido, le soluzioni acquose allo zinco offrono vantaggi potenziali in termini di sicurezza e costo dei materiali.
Se queste batterie fossero 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. Questi 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.
