Una nuova configurazione elettrodica
Un gruppo di ricercatori dell’Università della California, Santa Cruz, guidato da Yat Li, ha sviluppato una nuova configurazione elettrodica compatta con elettrodi interpenetrati e indipendentemente gestibili. Questa innovativa progettazione consente di migliorare la diffusione ionica nei dispositivi di accumulo di energia elettrochimica, riducendo la lunghezza del percorso di diffusione degli ioni e uniformando la concentrazione ionica tra gli elettrodi. Questo tipo di configurazione supera i tradizionali sistemi a elettrodi separati, aumentando sia la densità energetica volumetrica che la capacità di mantenimento nel tempo.
Una sfida crescente per i dispositivi elettrochimici
Con l’aumento della richiesta globale di elettrodi per dispositivi di accumulo di energia, si è reso necessario un approccio che permetta di mantenere l’efficienza della diffusione ionica, anche con carichi molto elevati di materiali attivi, migliorando così la capacità e la densità energetica. Le strutture elettrodiche tridimensionali ad alta porosità e bassa tortuosità hanno mostrato di poter migliorare le prestazioni di vari dispositivi elettrochimici. Tuttavia, un aumento dello spessore di questi elettrodi porta inevitabilmente a un allungamento del percorso di diffusione degli ioni, rallentandone i movimenti. Da qui, la necessità di progettare nuovi elettrodi che combinino grandi superfici, bassa tortuosità e ridotta distanza tra gli elettrodi, favorendo così una più rapida diffusione ionica.
La soluzione degli elettrodi interpenetrati
Per affrontare questa sfida, il gruppo di ricerca ha proposto una nuova strategia basata sulla creazione di una struttura elettrodica interpenetrata, utilizzando una geometria cubica a corpo centrato. Questa configurazione comprende due elettrodi indipendenti intrecciati tra loro. Attraverso la stereolitografia (SLA), sono state realizzate strutture polimeriche interpenetrate a partire da resina commerciale, successivamente rese conduttive mediante placcatura chimica. In particolare, il polimero è stato attivato con nanoparticelle di palladio, depositate sulla superficie tramite una reazione di ossido-riduzione tra Sn²⁺ e Pd²⁺, che fungono da siti catalitici.
Processo di metallizzazione e formazione dell’elettrodo
Una volta attivata la superficie polimerica, è stato immerso in una soluzione contenente ioni di nichel e un riducente, portando alla formazione di uno strato composito di nichel-fosforo. Durante il processo di placcatura, alcune aree della struttura sono state mascherate per permettere una gestione separata degli elettrodi A e B. Alla fine, sono stati depositati selettivamente composti di MnO₂ e PEDOT su un elettrodo, e zinco metallico sull’altro. Un dispositivo modello di batteria Zn//MnO₂ è stato utilizzato per verificare l’efficacia della struttura interpenetrata.
Prestazioni migliorate a basse temperature
Uno dei principali vantaggi della configurazione interpenetrata è stato osservato nelle applicazioni a basse temperature, dove la diffusione ionica rallenta notevolmente. Test condotti con celle simmetriche Zn//Zn hanno mostrato una minore polarizzazione e curve di deposizione più stabili nel dispositivo interpenetrato rispetto a quello con elettrodi separati. A 0 °C, la resistenza al trasferimento di carica della struttura interpenetrata era significativamente inferiore rispetto a quella della configurazione separata (80 Ω contro 400 Ω). Questi risultati evidenziano come la struttura interpenetrata favorisca una distribuzione più uniforme degli ioni e una maggiore efficienza nella diffusione ionica.
Capacità ed efficienza energetica
I test sulla batteria hanno dimostrato che, quando la temperatura scende da 20 °C a 0 °C, il dispositivo interpenetrato conserva il 49% della sua capacità superficiale, rispetto al 35% della configurazione separata. Inoltre, il dispositivo con elettrodi interpenetrati ha mostrato un incremento del 104% nella capacità superficiale, dell’82% nella densità energetica superficiale e del 263% nella densità energetica volumetrica rispetto alla configurazione tradizionale. Questi miglioramenti sono stati attribuiti alla maggiore efficienza della diffusione ionica e alla riduzione delle distanze tra gli elettrodi.
Conclusione
La progettazione di strutture interpenetrate rappresenta un significativo passo avanti nel miglioramento delle prestazioni dei dispositivi di accumulo di energia elettrochimica, specialmente in condizioni di basse temperature. Questo approccio permette di ottimizzare la diffusione ionica e garantire una distribuzione uniforme della concentrazione ionica, aprendo nuove possibilità per l’incremento delle prestazioni dei dispositivi elettrochimici.
Fonte: Journal: Nano-Micro Letters
DOI: 10.1007/s40820-024-01472-8
