Aspartame: L’Ingrediente Inaspettato che Rivoluziona le Batterie allo Zinco!

Amici appassionati di scienza e innovazione, tenetevi forte perché sto per raccontarvi una storia che ha dell’incredibile! Immaginate di poter migliorare drasticamente le prestazioni delle batterie, rendendole più durature, efficienti e capaci di funzionare in un ampio spettro di temperature. E se vi dicessi che uno degli ingredienti chiave per questa rivoluzione potrebbe nascondersi… nel dolcificante che alcuni di voi usano nel caffè? Sì, avete capito bene: parliamo di aspartame!

Sembra fantascienza, lo so, ma un team di ricercatori ha appena pubblicato uno studio pazzesco che dimostra come l’aspartame (APM) possa giocare un ruolo cruciale nel potenziare le batterie acquose a ioni di zinco (le cosiddette AZIBs). Queste batterie sono considerate una delle opzioni più promettenti per l’accumulo di energia su larga scala, grazie all’abbondanza dello zinco, al suo basso costo e alla sua elevata capacità teorica. Ma, come ogni bella storia, c’è un “ma”.

Il Tallone d’Achille delle Batterie allo Zinco

Gli anodi di zinco metallico, purtroppo, soffrono di alcuni problemi cronici quando immersi in elettroliti acquosi. Principalmente, tendono a generare idrogeno (una reazione parassita che consuma l’elettrolita e l’anodo) e a formare delle strutture aghiformi chiamate dendriti durante i cicli di carica e scarica. Pensate ai dendriti come a delle stalattiti microscopiche che crescono in modo incontrollato: possono perforare il separatore della batteria, causando cortocircuiti e, di conseguenza, il fallimento prematuro della cella. Un bel grattacapo, non trovate?

Questi fenomeni portano a una bassa efficienza Coulombica (cioè, non tutta l’energia che metti dentro la recuperi) e a una scarsa stabilità ciclica. Insomma, le batterie si degradano troppo in fretta.

L’Idea Geniale: l’Aspartame Entra in Gioco!

Ed è qui che entra in scena il nostro improbabile eroe: l’aspartame. I ricercatori hanno pensato: e se aggiungessimo una piccola quantità di APM all’elettrolita? L’aspartame è una molecola interessante: è idrofobica (non ama l’acqua) e ha una forte affinità per lo zinco. Queste sue caratteristiche si sono rivelate fondamentali.

L’idea era quella di sfruttare l’APM per creare una sorta di “scudo protettivo” sulla superficie dell’anodo di zinco. Questo scudo, chiamato interfaccia elettrolita solido (SEI), dovrebbe idealmente impedire il contatto diretto tra l’anodo di zinco e l’acqua dell’elettrolita, bloccando così le reazioni di corrosione e la formazione di dendriti. Ma la vera chicca è che questa SEI, grazie all’aspartame, sarebbe a base di ossido di zinco (ZnO) e, udite udite, auto-riparante!

Proprio così! Durante i cicli di carica e scarica, se la pellicola di ZnO dovesse danneggiarsi, l’aspartame presente nell’elettrolita contribuirebbe a “richiuderla” dinamicamente. Immaginate una vernice protettiva che si rigenera da sola ogni volta che subisce un graffio.

Come Funziona Questa Magia Chimica?

Senza entrare in dettagli troppo tecnici (che potete comunque trovare nello studio originale, linkato in fondo), vi basti sapere che i calcoli teorici (DFT) e le simulazioni di dinamica molecolare (MDS) hanno confermato le intuizioni. L’APM si adsorbe preferenzialmente sull’interfaccia zinco/elettrolita, tenendo lontane le molecole d’acqua e gli anioni solfato (SO42−) che sono tra i principali responsabili della corrosione.

L’APM adsorbito, poi, reagisce con l’ossigeno disciolto nell’elettrolita per formare questa pellicola SEI a base di ZnO, fortemente ancorata al substrato di zinco e capace di auto-ripararsi. Questa SEI non solo protegge l’anodo, ma regola anche la deposizione degli ioni zinco, rendendola più uniforme e prevenendo la crescita dei temuti dendriti.

Le analisi hanno mostrato che la superficie dell’anodo di zinco ciclato in presenza di APM è significativamente più liscia e uniforme rispetto a quella ottenuta con l’elettrolita tradizionale. La formazione di sottoprodotti indesiderati come Zn4(OH)6SO4·xH2O (ZSH) viene drasticamente ridotta.

Risultati da Urlo: I Numeri Parlano Chiaro!

Ma veniamo ai risultati pratici, quelli che ci fanno brillare gli occhi!

• Le celle Zn||Cu (dove il rame funge da substrato per la deposizione dello zinco) hanno mostrato un’efficienza Coulombica media superiore al 99.59% per oltre 1000 cicli, anche a basse densità di corrente. Un valore eccellente!
• Le celle complete Zn||NH4+-V2O5 (con un catodo a base di vanadato d’ammonio) hanno raggiunto una capacità specifica notevole di 150 mAh g−1 e una stabilità ciclica impressionante, con una ritenzione di capacità del 77.8% dopo ben 1750 cicli a una densità di corrente elevata (10 A g-1).
• E la resistenza alle temperature? Le celle simmetriche Zn||Zn hanno dimostrato una fantastica adattabilità in un ampio range termico, da -5 °C a 40 °C, anche sotto un elevato stress di profondità di scarica (DOD) dell’85.2%. Pensate, a temperatura ambiente (25°C), queste celle hanno funzionato per oltre 10.330 ore! A -5°C per oltre 6.400 ore e a 40°C per più di 2.250 ore.

Questi numeri non sono solo “belli”, ma indicano un passo avanti concreto verso batterie allo zinco più robuste e affidabili per applicazioni reali.

Un Meccanismo a Doppio Scudo

Il successo di questa strategia risiede in un duplice meccanismo di protezione. Da un lato, l’APM crea uno “scudo molecolare” che passiva la corrosione indotta da acqua e ioni solfato. Dall’altro, l’ossigeno disciolto orchestra la formazione in situ della SEI di ZnO con una continua rigenerazione. È come avere una guardia del corpo personale per l’anodo di zinco, che non solo lo difende ma si cura anche da sola!

Un aspetto cruciale è che l’APM non si “sacrifica” decomponendosi per formare la SEI, come accade con altri additivi convenzionali. Invece, mantiene un adsorbimento non consumabile all’interfaccia, preservando la continuità della SEI di ZnO. Inoltre, i gruppi funzionali dell’aspartame (come –COOH, –NH) possono coordinarsi selettivamente con gli ioni Zn(H2O)62+ per ottimizzare la cinetica di desolvatazione (il processo con cui lo ione zinco perde il suo “guscio” di molecole d’acqua prima di depositarsi) e accoppiarsi elettronicamente con lo ZnO per migliorarne la stabilità.

Implicazioni e Prospettive Future

Cosa significa tutto questo? Significa che abbiamo tra le mani un approccio semplice, economico ed ecologico per migliorare significativamente le batterie acquose a ioni di zinco. L’uso dell’aspartame come additivo apre la strada allo sviluppo di sistemi di accumulo energetico capaci di operare in un ampio intervallo di temperature, con alte capacità, lunga durata ciclica e grande profondità di scarica.

Questa ricerca non solo risolve alcuni problemi fondamentali legati agli anodi di zinco, ma collega brillantemente la scienza delle interfacce con le applicazioni pratiche nel campo dell’energia. Chissà, forse in un futuro non troppo lontano, le batterie dei nostri dispositivi o quelle che alimentano le nostre case potrebbero avere un piccolo, “dolce” segreto al loro interno.

Io sono entusiasta di queste scoperte, e voi? Continuate a seguirci per non perdervi le prossime novità dal mondo della scienza!

Fonte: Springer