I ricercatori offrono approfondimenti sulle interfasi elettrolita solido nelle batterie acquose agli ioni di potassio di prossima generazione

Negli ultimi vent’anni le batterie agli ioni di litio (LIB) sono diventate immensamente popolari come fonte di alimentazione di riferimento per un’ampia varietà di dispositivi elettronici e veicoli. Sebbene sia difficile sopravvalutare gli effetti trasformativi che le LIB hanno avuto sulle società moderne, questa tecnologia presenta una buona dose di svantaggi che non possono essere ulteriormente ignorati. Questi includono la disponibilità limitata di litio, nonché problemi di sicurezza e ambientali. Questi inconvenienti hanno motivato gli scienziati di tutto il mondo a cercare tecnologie alternative per le batterie, come le batterie ad acqua. Le batterie agli ioni di potassio (KIB) sono un esempio lampante; queste batterie sono realizzate con materiali abbondantemente disponibili e sono molto più sicure delle LIB. Inoltre, i KIB possono utilizzare un elettrolita acqua-sale (WISE), che li rende più stabili termicamente e chimicamente.

Tuttavia, la prevenzione dello sviluppo di idrogeno sull’elettrodo negativo per la sua stabilizzazione rappresenta una sfida importante nelle batterie acquose ad alta tensione. Sebbene le interfasi elettrolitiche solide (SEI) che si formano tra questi elettrodi e la soluzione elettrolitica aiutino a stabilizzare gli elettrodi nelle LIB (prevenendo la decomposizione dell’elettrolita e l’autoscarica delle batterie), sono state scarsamente studiate nel contesto delle KIB.

Per colmare questa importante lacuna di conoscenza, un gruppo di ricerca dell’Università delle Scienze di Tokyo (TUS), in Giappone, ha recentemente condotto uno studio pionieristico per ottenere approfondimenti sulla formazione dei SEI e sulle loro proprietà nei KIB basati su WISE. I loro risultati sono stati pubblicati online sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale il 18 agosto 2023. Lo studio, condotto dal professor Shinichi Komaba della TUS, è coautore del professore associato junior Ryoichi Tatara, del dottor Zachary T. Gossage e della signora Nanako Ito, tutti del TUS.

I ricercatori hanno utilizzato principalmente due tecniche analitiche avanzate – la microscopia elettrochimica a scansione (SECM) e la spettrometria di massa elettrochimica operando (OEMS) – per osservare come il SEI si forma e reagisce in tempo reale durante il funzionamento di un KIB con un 3,4,9,10- Elettrodo negativo diimmide perilentetracarbossilico e 55 mol/kg K(FSA)0,6(OTf)0,4∙1H2O, un WISE sviluppato dal team in uno studio precedente.

Gli esperimenti hanno rivelato che SEI forma uno strato passivante in WISE simile a quello visto nelle LIB, con velocità di trasferimento di elettroni apparenti lente, aiutando a sopprimere l’evoluzione dell’idrogeno. Ciò può garantire prestazioni stabili e una maggiore durata dei KIB. Tuttavia, i ricercatori hanno osservato che la copertura dello strato SEI era incompleta a tensioni operative più elevate, portando allo sviluppo di idrogeno.

Nel loro insieme, i risultati rivelano la necessità di esplorare potenziali strade per migliorare la formazione di SEI nelle future batterie acquose. «Sebbene i nostri risultati rivelino dettagli interessanti sulle proprietà e sulla stabilità del SEI trovati in un particolare WISE, dovremmo anche concentrarci sul rafforzamento della rete SEI per ottenere una migliore funzionalità», commenta il prof. Komaba. “Il SEI potrebbe forse essere migliorato mediante lo sviluppo di altri elettroliti che producono SEI unici, ma anche attraverso l’incorporazione di additivi elettrolitici o il pretrattamento della superficie degli elettrodi”.

Questo studio evidenzia inoltre la potenza del SECM e dell’OEMS per acquisire una solida conoscenza delle interazioni elettrodo-elettrolita nelle batterie di prossima generazione. «Queste tecniche forniscono un potente mezzo per monitorare lo sviluppo, la copertura, il trasferimento di ioni e la stabilità del SEI e possono essere facilmente adattate a una varietà di elettroliti ed elettrodi», spiega il prof. Komaba. “Ci auguriamo che questo lavoro incoraggi altri ricercatori a esplorare ulteriormente SECM e OEMS come metodi di caratterizzazione avanzati che possono essere incorporati nelle misurazioni tradizionali delle batterie per ottenere informazioni più approfondite”.

Lo sviluppo di batterie acquose come le KIB sarà determinante per le società sostenibili del futuro, poiché potrebbero sostituire le costose e pericolose LIB attualmente utilizzate nei veicoli elettrici, nelle reti intelligenti, nei sistemi di energia rinnovabile e nelle applicazioni marine. Rendendo lo stoccaggio dell’energia più accessibile, le batterie acquose favoriranno la transizione verso la produzione di energia a zero emissioni di carbonio, aprendo la strada a un futuro più verde.

Con un po’ di fortuna, ulteriori studi ci porteranno presto a promettenti alternative LIB!

Riferimento
Titolo dell’articolo originale: Osservazione in situ dell’evoluzione dell’interfase di H2 e di elettroliti solidi nei materiali di inserimento di potassio all’interno di elettroliti acquosi altamente concentrati
Rivista: Angewandte Chemie Edizione Internazionale
DOI: 10.1002/anie.202307446

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